Die Bewegungssteuerung steht im Mittelpunkt der modernen industriellen Automatisierung. Von Montageanlagen mit höchster Positioniergenauigkeit bis hin zu kollaborativen Robotern und medizinischen Geräten erfordern alle Anwendungen präzise, wiederholbare und zeitstabile Bewegungen. In diesem Zusammenhang zählt der Schrittmotor zu den am weitesten verbreiteten Technologien, da er in der Lage ist, auch im Open-Loop-Betrieb exakte Positionierungen zu erreichen – elektrische Impulse werden in präzise mechanische Bewegungen umgesetzt. Dadurch bietet er ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis. Dieser Leitfaden beschreibt Aufbau, Funktionsprinzip, Typen und Anwendungen und richtet sich an Ingenieure, Konstrukteure und OEMs, die die Potenziale dieser Technologie umfassend verstehen möchten.
INHALT
1. Die Rolle der Schrittmotoren in der industriellen Automatisierung
2. Aufbau und Funktionsprinzip
3. Unipolare und bipolare Schrittmotoren
4. Hybrider Schrittmotor
5. Vorteile und Grenzen von Schrittmotoren
6. Ansteuerung und Regelung
7. Industrielle Anwendungen
8. Vergleich zwischen Schrittmotor und bürstenlosem Motor
9. Integration mit Treibern und Steuerungssystemen von Ever Motion Solutions
10. Auswahl des Motors je nach Anwendung
11. Trends und Innovationen in der Motion-Control
12. Warum der Schrittmotor eine strategische Lösung bleibt
1. Die Rolle der Schrittmotoren in der industriellen Automatisierung
In der industriellen Automatisierung ist die Bewegungssteuerung entscheidend für Produktivität, Präzision und Zuverlässigkeit. Jede automatisierte Linie, jeder Montage- oder Dosierroboter basiert auf der Fähigkeit, Komponenten exakt und konstant zu positionieren. Hier spielt der Schrittmotor eine strategische Rolle: Er kombiniert einen einfachen Aufbau mit direkter Laststeuerung und hoher Positionierleistung – und zählt daher zu den am häufigsten eingesetzten Lösungen in der industriellen Motion-Control.
Anwendungen reichen von pick & place systemen3D-Druckern und kartesischen Robotern über Kompakte CNC-Maschinen bis hin zu medizinischen Geräten und Messinstrumenten. Seine Fähigkeit, sich in präzisen Winkelschritten zu bewegen und die Position ohne Rückführsensoren zu halten, macht ihn ideal für Open-Loop-Systeme, die hohe Genauigkeit bei niedriger Komplexität erfordern. Jeder Impuls entspricht einer genau definierten Wellenbewegung – ein einfaches, aber äußerst wirksames Prinzip, das digitale Bewegungssteuerung ermöglicht.
2. Aufbau und Funktionsprinzip
Ein Schrittmotor ist ein synchroner Elektromotor, bei dem die Drehung der Welle in diskrete Winkelinkremente („Schritte“) unterteilt ist. Gleichstrommotoren, die sich frei drehen, bewegt sich der Schrittmotor in vorgegebenen Schritten und ermöglicht so eine direkte und präzise Positionssteuerung.
Er besteht aus drei Hauptkomponenten:
- Stator: Mehrphasenwicklung (typischerweise zwei oder vier Phasen), die nacheinander erregt werden. Dadurch entstehen wechselnde Magnetfelder, die die Bewegung des Rotors erzeugen;
- Rotor: Besteht aus Permanentmagneten und ferromagnetischem Material, ebenfalls mit ausgeprägten Polen, die sich mit denen des Stators ausrichten. Die Konstruktion beeinflusst Drehmoment und Genauigkeit.
- Steuerung: Elektronischer Treiber oder Controller, der die Erregungssequenz der Spulen steuert und so Richtung, Geschwindigkeit und Mikroschrittauflösung festlegt.
Das Funktionsprinzip basiert auf der magnetischen Wechselwirkung zwischen Stator und Rotor. Wird eine Spule erregt, richtet sich der Rotor am erzeugten Magnetfeld aus. Durch sequentielle Erregung der Spulen entsteht eine kontinuierliche, aber schrittweise Rotation. Standard-Schrittmotoren verfügen über 200 Schritte pro Umdrehung (1,8° pro Schritt). Mit Mikroschrittsteuerungsind jedoch Auflösungen bis zu 1/256 Schritt (0,007°) möglich, was eine sehr gleichmäßige und geräuscharme Bewegung gewährleistet.
3. Unipolare und bipolare Schrittmotoren
Schrittmotoren werden im Wesentlichen in zwei Typen unterteilt: unipolar und bipolar, je nach Art der Phasenansteuerung.
Der unipolare Schrittmotor (in der Regel mit 6 Anschlüssen), besitzt in jeder Phase einen gemeinsamen Mittelpunkt, über den die Magnetpolung umgekehrt werden kann, ohne die Stromrichtung zu ändern. Diese Bauweise vereinfacht die Steuerung und reduziert die Treiberkomplexität – ideal für kostengünstige Anwendungen. Allerdings ist jeweils nur die Hälfte der Wicklung aktiv, was das Drehmoment reduziert.
Der bipolare Schrittmotorerlaubt den Stromfluss in beide Richtungen über die gesamte Wicklung. Dadurch wird ein höheres Drehmoment und eine bessere magnetische Effizienz erzielt, erfordert jedoch eine aufwendigere Elektronik, meist mit H-Brücken-Schaltungen.
In der Industrie werden heute überwiegend bipolare Schrittmotoren eingesetzt, wenn hohe Drehmomente, Präzision und Dynamik gefordert sind, während unipolare Modelle vor allem in kompakten oder Low-Cost-Systemen verwendet werden.
4. Hybrider Schrittmotor
Der hybride Schrittmotor ist die fortschrittlichste Variante dieser Technologie und kombiniert die Vorteile von Reluktanzmotoren und Permanentmagnet-Schrittmotoren. Der Rotor besteht aus zwei versetzten, gezahnten Sektionen, eine magnetisiert als Nordpol, die andere als Südpol. Diese Bauweise erhöht die magnetische Flussdichte und damit das Drehmoment bei gleicher Baugröße.
Dank ihrer überlegenen Leistung sind hybride Schrittmotoren in der Industrie am weitesten verbreitet. Sie sind in standardisierten NEMA-Baugrößen (8, 17, 23, 34, 42 usw.) erhältlich und können mit Inkremental- oder Absolut-Encodern, elektromagnetischen Bremsen oder Getrieben ausgestattet werden. Die Von Ever Motion Solutions entwickelten Modelle sind zudem mit IP65-Schutz erhältlich und damit für raue Industrieumgebungen mit Staub- oder Flüssigkeitsbelastung geeignet
5. Vorteile und Grenzen von Schrittmotoren
Hauptvorteile:
- Präzise Positionssteuerung ohne Encoder.
- Hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen
- Hohe Wiederholgenauigkeit und Stabilität
- Robuste Bauweise und lange Lebensdauer
- Einfache Integration mit digitalen Treibern
Hauptnachteile:- Drehmomentabfall bei hohen Drehzahlen
- Mechanische Vibrationen und Resonanzen möglich.
- Keine direkte Positionsrückmeldung (Open Loop).
- Geringere Effizienz als bürstenlose Motoren.
Diese Einschränkungen wurden in den letzten Jahren durch hybride Closed-Loop-Schrittmotoren mit integrierter Elektronik weitgehend überwunden. Die Systeme von Ever Motion Solutions stellen den aktuellen Stand der Technik dar: Sie vereinen die Einfachheit von Schrittmotoren mit der dynamischen Leistung von Servomotoren – für höhere Effizienz und Stabilität auch bei wechselnder Last.
6. Ansteuerung und Regelung
Das dynamische Verhalten eines Schrittmotors hängt stark von der Art des Treibers und der Steuerung ab. Die wichtigsten Betriebsarten sind:
- Vollschrittbetrieb: : 1,8° pro Impuls – maximales Drehmoment, höhere Vibration.
- Halbschrittbetrieb: 0,9° pro Impuls – bessere Auflösung und gleichmäßigerer Lauf.
- Mikroschrittbetrieb: Unterteilung jedes Schrittes (1/8, 1/16 bis 1/256), reduziert Vibrationen und ermöglicht extrem ruhige Bewegungen.
Die programmierbaren Treiber von Ever Motion Solutions unterstützen alle diese Betriebsarten und sind kompatibel mit ETHERCAT, PROFINET, ETHERNET IP, POWERLINK, CANopen, MODBUS TCP und RTU. Sie ermöglichen die Konfiguration von individuellen Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Verzögerungsprofilen, um das Systemverhalten optimal an die Last und die geforderte Dynamik anzupassen. Intelligente, programmierbare Treiber sind heute entscheidend für Echtzeit-Bewegungssteuerung, insbesondere bei Mehrachsen- oder Hochdynamiksystemen.
7. Industrielle Anwendungen
Schrittmotoren sind äußerst vielseitig und finden in fast allen Bereichen der Automatisierung Anwendung, z. B.:
- Verpackungsmaschinen
- Etikettieranlagen (linear und rotativ)
- Montageroboter und Pick-&-Place-Systeme
- CNC-Maschinen
- Medizinische Geräte (Infusionspumpen, Scanner)
- Industrielle Plotter
- Steuerventile
- Formatwechsel-Einheiten
Dank ihrer Fähigkeit, hohes Drehmoment auch im Stillstand zu liefern, eignen sie sich ideal für niederdynamische Anwendungen mit langen Haltephasen. In Kombination mit digitalen Treibern lassen sich intelligente Drehmomentregelungen realisieren, die Vibrationen, Geräuschentwicklung und Energieverbrauch reduzieren
Ever Motion Solutions entwickelt Motoren und Treiber, die stabile, gleichmäßige und zuverlässige Bewegungengewährleisten – ideal für Präzisionsmaschinen, automatische Produktionslinien und medizinische Geräte, bei denen Bewegungsqualität gleichbedeutend mit Produktivität ist.
8. Vergleich zwischen Schrittmotor und bürstenlosem Motor
Zum besseren Verständnis des Schrittmotors lohnt sich der Vergleich mit einem bürstenlosen Motor (Brushless Motor). Ein Brushless-Motor ist ein synchroner Gleichstrommotor ohne Bürsten, bei dem die Kommutierung elektronisch erfolgt. Er bietet höhere Effizienz, höhere Drehzahlen und eine Rückführung über Sensoren oder Encoder – ideal für dynamische Bewegungen. Allerdings sind die Steuerungssysteme komplexer und teurer, während der Schrittmotor in Anwendungen mit offener Regelung, Präzision und Kosteneffizienz überzeugt.
| Merkmal | Schrittmotor | Brushless-Motor |
| Steuerung | Open-oder Closed-loop | Immer closed-loop; |
| Drehmoment bei niedriger Drehzahl | Hoch | Mittel |
| Maximale Drehzahl; | Begrenzt | Hoch |
| Positionsgenauigkeit; | Hoch (diskret) | Hoch (kontinuierlich) |
| Energieeffizienz; | Mittel | Hoch |
| Systemkosten; | Niedriger | Höher |
Beide Systeme folgen unterschiedlichen Steuerungsprinzipien: Der Schrittmotor bietet Präzision und Einfachheit für diskrete Bewegungen, während der Brushless-Motor Geschwindigkeit und Dynamik für kontinuierliche Prozesse priorisiert.
9. Integration mit Ever Motion Solutions Treibern und Steuerungen
Ever Motion Solutions bietet ein breites Sortiment an
Schrittmotortreibern, die für
maximales Drehmoment,
geräuscharmen Betrieb und
Echtzeitreaktion optimiert sind. Die Serien
Titanio und Slimline umfassen
programmierbare,
feldbusintegrierte und
Open-Frame-Versionen, ideal für
Maschinenbauer und OEMs, die
maßgeschneiderte und zuverlässige Lösungen benötigen. Modelle mit
integrierter Elektronik – Motor, Encoder, Treiber und Steuerlogik – vereinfachen die Verdrahtung, reduzieren den Platzbedarf im Schaltschrank und verkürzen die Installationszeit. Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft für
modulare Systeme, mobile Roboter und
tragbare medizinische Geräte, bei denen
Kompaktheit und EMV-Reduktion entscheidend sind.
10. Auswahl des Motors je nach Anwendung
Die Auswahl des richtigen Schrittmotors hängt von verschiedenen Parametern ab:
- Erforderliches Drehmoment (Nm);
- Betriebsdrehzahl (rpm);
- Positioniergenauigkeit;
- Versorgungsspannung und Treibertyp;
- Mechanische Größe (NEMA-Standard);
- Temperatur- und Umgebungsbedingungen
Ever Motion Solutions bietet technische Beratung zur Auswahl der optimalen Konfiguration, einschließlich wasserdichter, getriebeintegrierter, bremsenbewehrter und UL/ATEX-zertifizierter Versionen.
11. Trends und Innovationen in der Motion-Control
Die Zukunft der Motion-Control liegt in der Integration von intelligenten Motoren, fortschrittlicher Sensorik und vorausschauender Wartung (Predictive Maintenance). Smart motion control technologies rmöglicht die Echtzeitüberwachung von Temperatur, Vibration, Stromaufnahme und Position, um präventive Wartung und Prozessoptimierung zu ermöglichen.
Die Integration mit Industrienetzwerken und IoT-Protokollen erlaubt es Schrittmotoren, mit übergeordneten Systemen zu kommunizieren und sich dynamisch an Betriebsbedingungen anzupassen. Ever Motion Solutions entwickelt intelligente Treiber mit automatischer Kompensation und Energieoptimierung, um Effizienz, Flexibilität und Nachhaltigkeit der Bewegungssteuerung zu erhöhen.
12. Warum der Schrittmotor eine strategische Lösung bleibt
Trotz neuer, komplexerer Technologien bleibt der Schrittmotor dank seiner Zuverlässigkeit, Einfachheit und Vielseitigkeit ein zentraler Bestandteil der industriellen Motion-Control.
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Mit fast 50 Jahren Erfahrung entwickelt und produziert Ever Motion Solutions in Italien Schrittmotoren, bürstenlose Motoren und industrielle Treiber, die Hochleistungsanwendungen in Verpackung, Robotik, Medizintechnik und Mechatronik ermöglichen.