gibt es in sehr unterschiedlichen Ausführungen, die im Wesentlichen in folgende Kategorien einzordnen sind:
bürstenkommutierte Gleichstrommotoren mit Permanentmagnet – hauptsächlich in elektrischen Spielzeugen, Modellbau, Mini-Bohrmaschinen, Mini-Transportmotoren in Kameras, automatischer CD- Auswurf etc.
bürstenkommutierte Universalmotoren – hier wird auch das Magnetfeld elektrisch mit einer Feldwicklung erzeugt. Daher laufen diese Motoren mit Gleich- und Wechselspannung. Anwendung in Elektromaschinen wie Bohrmaschinen, Küchengeräten, Haarfön. Von reinen Wechselstrommotoren unterscheiden sich diese Motoren durch ihr lautes bis kreischendes Laufgeräusch.
Wechselstrommotoren (Kurzschlussläufer, Spaltpolmotoren, Asynchronmotoren, Drehstrommotoren, Synchronmotoren). Die Rotation dieser Motoren wird - im Gegensatz zu kommutierten Motoren - durch ein auf verschiedene Art erzeugtes Drehfeld ermöglicht. Gemeinsames Merkmal ist ihr ruhiger, leiser Lauf. Anwendung in leisen Elektro- Hausgeräten wie Ventilatoren, alten Plattenspielern - und hauptsächlich in stärkeren Elektromaschinen: Waschmaschinen, Drehbänke, Lokomotiven. Eine Drehzahlsteuerung ist auf rationelle Art nur möglich durch Variation des Drehfeldes, was technisch ausserhalb der Ambitionen dieses Workshops liegt.

Ein- und Ausschalten dieser Motoren ist möglich mit elektromechanischen Relais. Einsatz von Halbleiterrelais wird in diesem Workshop nicht empfohlen.

Speziell Motoren, die einen Hilfskondensator benötigen, können handelsübliche Halbleiterrelais (und konventionelle Dimmer) zerstören. Auch bei Motoren ohne Kondensator können nicht absolut sauber schaltende Halbleiterrelais subtile und schwer kontrollierbare Effekte bis zur Drehrichtungsumkehr verursachen.
Schrittmotoren erzeugen ihre Rotation letztlich auch durch ein Drehfeld. Bei diesem Motorentyp ist das Drehfeld aber gezielt durch einzelne Impulse steuerbar, eine Beispielschaltung auf einfachem technischen Nivau folgt weiter unten.
elektronisch kommutierte Motoren ersetzen die störanfällige elektromechanische Polwendung durch Rotations- Sensoren und elektronische Schalter. Solche Motoren brauchen auf jeden Fall ein spezielles, herstellerspezifisches Steuergerät, teilweise bereits im Motor eingebaut. Je nach Ausführung kann dieses ein digitales oder analoges Steuerinterface haben. Analoge Interfaces können mit der Sensorbox gesteuert werden, dies erfordert aber jeweils spezielle Anpassung und wird hier nicht weiter verfolgt.

Gleichstrommotoren ein- und ausschalten

Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren

Schrittmotoren

Die optimale Ansteuerung von Schrittmotoren ist ein ziemlich komplexes Gebiet, das den Rahmen dieses Kurses übersteigt.
Eine sehr gute ergänzende Textsammlung finden Sie auf folgender Website: http://www.eio.com/stprhist.htm. Auch sonst bietet eio.com einiges für Elektronikfreaks Lesenswerte.

Einfachen Ansprüchen genügt aber folgende Schaltung für 4-phasige unipolare Schrittmotoren (der gängigste handelsübliche Typ). Bei der Auswahl eines passenden Schrittmotors sollte man möglichst ein Modell mit höherer Betriebsspannung, etwa 12 oder 24 Volt nehmen. Die Anschlussleitungen der Motoren sind nicht einheitlich gekennzeichnet, dazu wird auf das Datenblatt des Motors verwiesen. Wenn 6 Leitungen aus dem Motor kommen, sind immer die Plus-Anschlüsse zweier Wickungen zusammengefasst (A und C, B und D). Wenn 8 Leitungen aus dem Motor kommen, muss man notfalls selber solange die Wicklungen vertauschen bis der Motor sauber rund läuft. Allzuviel kaputtmachen kann man durch kurzfristigen Betrieb mit vertauschten Wicklungen nicht.

Rechts im Schaltbild ist die Steuerschaltung, links sind die Leistungsstufen. Die Leistungtransistoren sollten aus einem eigenen Netzteil betrieben werden, hieraus kann eventuell die Sensorbox über ein Entstörfilter gespeist werden, hieraus wiederum die 5 Volt für die Motorsteuerschaltung entnommen werden.
Die Treiberschaltung links auf der Zeichnung muss 4 mal identisch aufgebaut werden. Statt des NOR Gatters 74HC02 können alle anderen invertierenden Bausteine der Familie 74HC.. verwendet werden. Die Endtransistoren BD649 sollten jeweils auf einen Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von etwa 15 bis 25 K/W gesetzt werden. Sie müssen unbedingt gegen Masse isoliert montiert werden, da die Metallfahnen mit den Kollektoren verbunden sind.

An den Transistoren fällt bei Stromfluss etwa eine Spannung von 1 Volt ab. Zieht z.B. eine Wicklung des Motors einen Strom von 1 Ampere, so muss der Kühlkörper eine Leistung von 1 Volt mal 1 Amp = 1 Watt ableiten. Bei einem Wärmewiderstand von z.B. 20 k/W wird er sich dabei um ca. 20 Grad gegenüber der Umgebung erwärmen. Daraus folgt, dass mit dieser Schaltung / diesem Kühlkörper ein Motor mit einem Spulenstrom von etwa 1,5 bis 2 Ampere betrieben werden kann. Ohne Kühlkšrper darf der Spulenstrom ca. max. 0,4 Ampere betragen.

Als Steuerinterface wird das IC "UCN 5804B" des Herstellers Allegro Microsystems verwendet (Bezugsquelle RS Components, Best. Nr.653-531). Prinzipiell ist das IC für den direkten Anschluss eines Schrittmotors geeignet. Dafür muss aber ein spezieller Kühlkörper gefertigt werden, auch dann ist der Betrieb nicht ganz unkritisch. Daher wird hier eine aufwendigere, aber einfacher und robuster reproduzierbare Treiber- Schaltung vorgestellt. Für den direkten Anschluss des Motors wird auf das Datenblatt von Allegro verwiesen.

Alle Eingangsleitungen werden mit 3,3 Kiloohm Widerständen an +5Volt gezogen. Diese Leitungen werden mit den 5 digitalen I/O der Sensorbox verbunden. Wichtig ist, dass die Leitung "Step Input" mit dem digital I/O # 0 verbunden wird, der als Impulsgenerator konfigurierbar ist. Der Anschluss der anderen Leitungen ist beliebig, im Musterexemplar wurde folgender Anschluss gewählt (auf den sich ggf. folgende Programmiertips beziehen werden):

• dig I/O # 0 = Step Input
• dig I/O # 1 = Half Step
• dig I/O # 2 = One-Phase
• dig I/O # 3 = Direction
• dig I/O # 4 = Enable Output

Folgende Programmierhinweise:
Beim Einschalten der Sensorbox liegen normalerweise alle digitalen I/O auf High- Pegel, d.h. die Motorsteuerung ist abgeschaltet. Als erster Schritt sollten alle I/O- Leitungen auf Low geschaltet werden:
$Bz $0E $00.

Dann wird der Frequenzgenerator gestartet, zuerst wird die Gesamtperiode eingestellt. 30 Millisekunden sind ein wohl für alle Motoren brauchbarer erster Anfangswert:
$Bz $50 $20

Schliesslich wird der Motor mit der kürzest möglichen High- Phase gestartet:
$Bz $59 $00

Drehzahländerungen werden durchgeführt durch Variation der Gesamtperiode. Die Drehrichtung (bei Full Step Mode und obiger Anschlussreihenfolge) wird folgendermassen umgedreht:
$Bz $0E $48 und zurück zur Gegenrichtung $Bz $0E $40

Das Bit 6 im zweiten Datenbyte wird gesetzt, damit durch den auf die digitalen I/O wirkenden Befehl nicht der Frequenzgenerator abgeschaltet wird. Für Präzisionsanwendungen sollte man zur Richtungsumkehr den Motor stoppen, die Stepimpuls- Leitung auf LOW setzen und erst dann die Richtung ändern.

Ein Vorteil von Schrittmotoren ist, dass sie auch einzelne Schritte ausführen und somit feinfühlige Positionierungen ausführen können. Dann wird die Step-Leitung nicht durch den Frequenzgenerator angesteuert, sondern durch einzelne, vom Master-Rechner kontrollierte Impulse auf dieser Leitung. Grundstellung der Step-Leitung ist immer Low!. Zuerst wird die Richtungs- Leitung eingestellt, dann wird die Step-Leitung auf High und sofort wieder auf Low gebracht. Da die digitalen Ausgänge bei der Sensorbox nur kollektiv geschaltet werden können, hält man am besten den Zustand im Master- Rechner in einer Variablen V und schreibt ihn Schritt für Schritt fort:

Step-Leitung auf High: V or $01       senden: $Bz $0E V
Step-Leitung auf Low: V and $FE    senden: $Bz $0E V

Wenn man keine volle Rotation ausführen muss, sondern Hebel o.ä. bewegen will, sollte man prüfen, ob ein Servo- Motor aus dem Bereich der Modellfernsteuerung nicht die bessere Lösung ist. Vor allem bei batteriebetriebenen Anwendungen (Mini- Roboter) brauchen Schrittmotoren viel zu viel Strom.

Obwohl der Motor bei jedem Steuerimpuls um einen konstanten Winkel weiterdreht, sollte man sich in der Praxis nicht darauf verlassen, dass so mehrere Motoren über einen längeren Zeitraum synchron gehalten werden können oder dass eine vorherige Ausgangsposition durch Rückwärtslauf um die gleiche Impulszahl exakt wieder eingestellt wird. Für Präzisionsanwendungen sollte die Motorposition durch einen Winkelencoder zusätzlich kontrolliert werden. Wenn der Motor schnelle Rotationen ausführen soll, sollte für "unbemannte" Installationen auf jeden Fall ein Rotationssensor vorhanden sein, der beim "Hängenbleiben" des Motors einen Neustart auslösen kann.

Zu beachten ist, dass der Motor lastabhängig nur in einem bestimmten Drehzahlbereich startet, dass bestimmte Maximalbeschleunigungen und Maximaldrehzahlen eingehalten werden müssen (siehe jeweils Datenblatt des Motors). Wenn der Motor bei zu hoher Drehzahl einmal aus dem Takt ist, bleibt er stehen und brummt. Dann muss er - je nach Belastung - mit niedriger Drehzahl neu hochbeschleunigt werden.

Schliesslich können lastabhängig (vor allem bei ungünstig angekoppelten Lasten) bei gewissen (niedrigen) Drehzahlen Resonanzen des aus Motor und Last bestehenden "Drehpendels" eintreten. Dann kann der Motor sogar entgegen der vorgegebenen Drehrichtung laufen. Diese Resonanzen lassen sich mindern, wenn die Kopplung zur Last einen gewissen Totbereich hat, z.B. durch einen nicht völlig strammen Zahnriemen oder eine Kettenübertragung. Dämpfung der Schwingung durch Reibung nützt wenig und bringt Nachteile bei hohen Drehzahlen.

* Informationsstand Okt '99. Alle Angaben nach bestem Wissen.
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