Anz.	Bezeichnung	Datenblatt
1	Batterie/Spannungsquelle 9V
1	CMOS-IC 4028
1	CMOS-IC 4029
1	CMOS-IC 4069
2	CMOS-IC 4071
4	Transistor BC548C (BC546C-BC550C)
4	Transistor BC558C (BC556C-BC560C)
8	Diode 1N4001 (1N4001-1N4007)
1	Widerstand 1,0 kOhm
2	Widerstand 100 kOhm
1	Elektrolytkondensator 1,0 µF / 16 V
2	Mikrotaster
1	Trimmpotentiometer 100 kOhm
1	Schrittmotor Bipolar z.B. Nanotec SP1518

Um etwas anzutreiben oder zu bewegen werden bekanntlich Motoren verwendet. Elektromotoren gibt es in 2 großen Gruppen. Zum Einen gibt es die normalen Motoren. Hier wird eine Spannung angelegt und sie drehen sich. Je nach mechanischer Last, mehr oder weniger schnell. Diese werden eingesetzt wenn etwas nur einfach angetrieben werden soll. Die Geschwindigkeit lässt sich durch Lastregelung einigermassen regeln. Will man aber gezielt bestimmte Punkte in einem Bewegungsweg anfahen, wird es mit den einfachen Motoren schon ziemlich schwierig. Hier müsste man z.B. Kontaktschalter einsetzen und dann den Motor sofort stoppen. Dies funktioniert recht gut, wenn die Genauigkeit nicht allzu groß sein muss und zwischen einzelnen 'Haltepunkten' ein größerer Abstand besteht.

Jetzt gibt es aber auch Bereiche, da ist ein sehr genaues Positionieren zwingend notwendig ist. Denkt man z.B. an den heimischen Tintenstrahlducker so sollen dort die Farbpunkte in Bruchteilen von mm gesetzt werden. Oder auch die CNC-Fräse. Hier sind 0,1mm schon eine sehr grobe Auflöung. Dies ist mit normalen Motoren nicht zu erreichen. Hier kommen dann Schrittmotoren zum Einsatz. Selbst 'grobe' Modelle erreichen mit einem Getriebe oder einem Gewindeantrieb schon recht präzise Positionierungen. Unter den Schrittmotoren gibt es 2 große Gruppen. Bipolare und Unipolare Typen.

Auch die Drehgeschwindigkeit des Motors lässt sich bei Schrittmotoren äußerst präzise regeln. Je nach Ansteuerfrequenz dreht sich der Motor entsprechend.

Hier sollen beide Gruppen im Groben vorgestellt werden und natürlich experimentell entsprechende Motoren angesteuert werden.

Bipolare Schrittmotoren besitzen 2 Spulen. Diese haben, wie es bei einfachen Spulen nun mal so üblich ist, 2 Polungsmöglichkeiten oder eben auch Stromlos. Je nachdem wie man die Spulen ansteuert kann man den Motor im sogenannten Vollschritt oder im Halbschritt betreiben.

Im Vollschritt sind immer beider Spulen mit Strom versorgt. Die nebenstehende Animation zeigt dies im Detail. Wenn man sich die Polaritäten der Ansteuerung ansieht, fällt sofort auf, dass es sich hier um ein Schiebemuster handelt. Daher ist die Ansteuerung im Vollschritt schon mit wenigen Mitteln möglich. Ein Schieberegister mit entsprechenden Taktgeber und die Leistungsstufen für die Spulen des Schrittmotors reichen bereits aus.

Beim Halbschrittmodus wird nach jedem Vollschritt ein Spule komplett abgeschaltet. So, dass sich die Welle immer direkt auf eine Spule ausrichtet. Also, noch mal einen 'Zwischenschritt' macht. Zwei Nachteile hat diese Methode alllerdings. Zum Einen ist die Ansteuerung doch schon ein wenig komplizierter. Was aber, wenn man zur Steuerung einen Mikrokontroller anwendet, nicht so stark ins Gewicht fällt. Das Andere ist jedoch das etwas verminderte Drehmoment, was der Motor in dieser Betriebsart leisten kann. Dies rührt daher, dass die magnetische Energier hier ja nur von einer Spule geliefert wird. Diese sich also im Grunde nahezu halbiert. Vorteil ist, dass die Auflösung der Bewegungsstrecke sich verdoppelt. Bei kleinen Motoren mit geringen Drehmoment ist diese Methode bevorzugt da hier die verminderte Kraft nicht so sehr ins Gewicht fällt.

Theoretisch ist das ja schon ganz nett. Aber nun soll auch einmal ein richtiger Schrittmotor angesteuert werden. Auf dem Markt befinden sich etliche diverse Typen. Da wir aber hier einen Typ brauchen, der auch mit einer 9V-Batterie vernünftig arbeitet wird man bei Nanotec fündig. Der SP1518 ist ein kleiner bipolarer Miniatur-Schrittmotor. Dieser hat einen Vollschrittwinkel von 18° und kommt mit 65mA bei 12V aus. Bei 9V sogar noch etwas weniger. Es ist möglich diesen Motor über den Shop zu beziehen.

Damit man auch sieht, dass sich der Schrittmotor dreht, wurden ein paar kleine Scheiben entworfen. Eigene Entwicklungen darf natürlich jeder selbst vornehmen. Diese Scheiben einfach 1:1 ausdrucken und in der Mitte ein kleines Loch piecksen. Die Achse des hier verwendeten Motors hat eine Stärke on 1,5mm und somit hält die Scheibe auch ohne Kleber etc. schon recht gut.

Damit wir den Schrittmotor vernünftig ansteuern können müssen wir als erstes dafür sorgen, dass die beiden Motorspulen immer entweder + oder - angelegt bekommen und dieses wechselweise. Dies erreichen wir am Besten mit Gegentaktstufen. Jeweils zwei für jede Schrittmotorspule. Jetzt müssen wir noch dafür sorgen dass immer eine Gegentaktstufe + schaltet während die andere dann nach - leitend wird. Dazu dient das Inverter-IC IC1. Durch 2 Taster können wir dann jeweils die Polarität der Spulen bestimmen.

Die Transistoren sind für den vorgeschlagenen Schrittmotor ausgelegt. Wer sich anderweitig einen bipolaren Schrittmotor besorgt hat, der wird mit den BC548/BC558 wohl nicht weit kommen. Diese können nur Ströme bis zu 100mA schalten. Bei stärkeren Schrittmotoren sollte man die Transistoren gegen BC337/BC327 austauschen.

Soll sich der Motor nun drehen so muss man mit den Tasten folgendes Muster durchspielen:

S1 alleine drücken

S1 und S2 zusammen drücken

dann S2 alleine drücken

anschließend beide Taster los lassen

Man wird bemerken, dass sich der Motor bei jeder Tastenänderung ein kleines Stück dreht. Soll sich der Motor in die andere Richtung drehen muss man die Liste nur rückwärts durchspielen.

Eins dürfte wohl aufgefallen sein. Nach einmaligen durchspielen hat der Motor noch lange keine komplette Umdrehung gemacht. Bei fast allen Schrittmotoren sind die Spulen nicht nur einfach angeordnet sondern x-Fach in abwechselnder Folge. So wird erreicht, dass sich die Auflösung um ein etliches erhöht. Soll eine vollstände Umdrehung erfolgen, so muss man das obige Muster mehrere Male durchspielen.

Aber, den Motor mit 2 Taster per Hand zu bedienen ist nun wirklich nicht das absolute Highlight. Wird in der Praxis natürlich auch nicht gemacht. Also brauchen wir eine bessere Steuerung ...

Um den Schrittmotor elektronisch zu steuern muss man sich rst einmal Gedanken machen, wie dies funktionieren soll. Hierzu ist es Hilfreich, wenn man sich eine Wahrheitstabelle erstellt:

Wenn man sich nun die Spalten anschaut in der die entsprechende Gegentaktstufe mit einem 1-Signal versorgt werden muss so stellt man schnell fest, dass hier immer nur zwei Schrittpositionen pro Spulenpol notwendig sind. So kann man hier einfach einen Dezimalzähler mit Dezimal-Dekoder einsetzen und die jeweiligen Spulenpole mit einem ODER-Gatter entsprechend verknüpfen.

Für den Zähler setzen wir hier den 4029 ein und mit dem 4028 verwandeln wir den Binärcode in eine Dezimalfolge. Da wir hier nur 4 Schritte benötigen, werden auch nur die unteren beiden Bits des Zählers benötigt.

Die ersten Vier Ausgänge des Dekoders werden nun per ODER-Funktion verknüpft und an die enstprechenden Spulenpole gelegt.

Damit wir das Ganze auch noch ein wenig steuern können, muss man mit S1 den Zähler aktivieren. Der Motor dreht sich also nur so lange, wie der Taster gedrückt wird. Da der 4029 sowohl vorwärts als auch rückwärts zählen kann, wird mit S2 die Zählrichtung festgelegt. Der Motor kann sich somit rechts und linksherum drehen.

Zu guter Letzt lässt sich die Schrittgeschwindigkeit noch mit P1 in einem weiten Bereich regeln.

Um aus der Vollschrittsteuerung eine Halbschrittsteuerung zu machen, muss man nur nach jedem Vollschritt eine der beiden Spulen stromlos schalten. Wir brauchen hier nicht wirklich die Spannung komplett abzuschalten. Es reicht au, wenn wir beide Pole der Spule auf da gleiche Potential legen. Vorzugsweise 0V oder logisch 0.

Wird nun eine Wahrheitstabelle erstellt entsteht die Folgende:

In der Logiktabelle sieht man dass jeder Spulenpol jetzt über ein ODER-Gatter mit 3 Eingängen gesteuert werden muss. Da wir hier jetzt nicht ein weiteres IC einführen wollen, behalten wir unsere ODER mit 2 Eingängen bei und erweitern diese um jeweils ein Eingang so, dass wir an einer Seite des Schaltkreises immer ein Gatter mit 3 Eingängen haben. So können wir die Logik-Schaltkreise auch leichter zuordnen. IC4 ist für Spule A zuständig und IC5 steuert Spule B.

Die meisten bekannten Steuer-Schaltkreise für Schrittmotoren bieten die Umschaltung zwischen Voll und Halbschritt von Haus aus an. Dies kann auch unsere diskret aufgebaute Steuerung. Hierzu muss man nur eine Brücke umlegen.

Um die Umschaltung zu erreichen, müssen wir ja nur dafür sorgen, dass nur jeder zweite Takt wirklich ausgewertet wird. Die Halbschritttakte überspringen bzw. ignorieren wir. Es werden also nur die Schritte 1, 3, 5 und 7 ausgewertet wenn man Eingang A des Dekoders fest auf 1-Signal legt. Hierzu kann man sich noch einmal die Wahrheitstabelle zu Gemüte führen.

Während bei einem bipolaren Schrittmotor nur eine durchgehende Spule pro Pol vorhanden ist, wurden die Spulen bei einem unipolaren Motor aufgetrennt und die Mittelanzapfung nach draussen geführt.

Die Mittelanzapfung, hier als 'COM' bezeichnet, wird in der Regel mit der Masse der Steuerung verbunden. So ist es möglich, die Schrittzahl noch um einiges zu steigern. Aber auch die Verwendung im bipolaren Betrieb ist mit diesem Motortyp problemlos möglich. Hier muss man nur den COM-Anschluß ignorieren. Dann 'sehen' die Antriebsspulen wie jeweils eine durchgehende Spule aus und können entsprechend angesteuert werden, wie auch schon in den letzten Kapiteln beschrieben.

Eine einfache Ansteuerung ist in dieser Grafik zu sehen. Hier werden die COM-Anschlüsse mit 0V (GND) verbunden und die Polarität der einzelnen Spulenpole entsprechend gesetzt. Durch diese Anseteuerung erhält man die gleiche Auflösung wie bei einem bipolaren Motor im Halbschritt.

Wird fortgesetzt ...