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Unipolar oder Bipolar?

Dienstag, April 12th, 2011

2-phasige Schrittmotoren werden unipolar oder bipolar ausgeführt. In diesem Beitrag möchte ich die Unterschiede zwischen beiden Beschaltungsarten erläutern und die Vor- und Nachteile aufzählen.

Unipolarer Schrittmotor:
Beim unipolaren Schrittmotor ist jede Wicklung mit einem Mittelabgriff ausgestattet, der Motor hat also 6 Litzen. Teilweise werden auch beide Mittelabgriffe zusammen ausgeführt, so dass der Motor dann nur 5 Litzen hat. Zur Ansteuerung eines unipolaren Motors legt man die Mittelabgriffe der Wicklung üblicherweise an die positive Versorgungsspannung und schaltet mit jeweils zwei Transistoren an den Wicklungsenden abwechselnd eines der beiden Enden nach Masse. Vorteil dieser Schaltung ist, dass nur vier Transistoren benötigt werden. Mit der zunehmenden Integration von Halbleitern hat dieser Vorteil schon lange an Bedeutung verloren, weswegen man heute fast ausschließlich bipolare Treiberschaltungen verwendet. Ausnahmen sind absolute low-cost Anwendungen. Der wesentliche Nachteil liegt darin, dass immer nur eine Hälfte der Wicklung bestromt ist, was zu einem niedrigeren Dreh- und Haltemoment und damit zu einem schlechteren Verhältnis von Bauraum und Gewicht zu Drehmoment führt.

Bipolarer Schrittmotor:
Bei bipolaren Schrittmotoren wird die gesamte Wicklung bestromt. Um die Wicklung umpolen zu können sind an jedem Wicklungsende zwei Transistoren erforderlich, insgesamt also 8 Tranistoren bzw. zwei Vollbrücken (die im englischen wegen ihres Aufbaus „H-Bridge“ genannt werden) für einen 2-phasigen Motor. Es sind Ausführungen mit 4 bzw. 8 Litzen üblich. Schrittmotoren mit 8 Litzen nehmen eine Sonderstellung ein, da sie je nach Beschaltung wahlweise unipolar oder bipolar angesteuert werden können.

Schaltschema bipolar und unipolar

Schaltschema bipolar (links) und unipolar (rechts). Quelle: Wikipedia

Unterschiede in den elektrischen und mechanischen Eigenschaften:

Hinweis: Die folgenden Betrachtungen gehen vom Vergleich zwischen einem unipolaren Motor und dem selben Motor in bipolarer Beschaltung aus. Die Verhältnisse entsprechen der bipolar seriellen Beschaltung bei einem Motor mit 8 Anschlüssen. Die Unterschiede für diese Motorvariante (bipolar seriell und bipolar parallel) werden in einem späteren Beitrag erläutert.

1) Wicklungsdaten

Im Prinzip kann man einen unipolaren Motor auch bipolar ansteuern, was tatsächlich häufig gemacht wird. Es ist auf den ersten Blick klar, dass sich in diesem Fall der Wicklungswiderstand verdoppelt, da beide Teilwicklungen in Reihe geschaltet sind. Weniger klar ist, dass die Induktivität der Wicklung nicht verdoppelt, sondern vervierfacht wird. Das liegt daran, das die (Teil)-Spulen nicht unabhängig voneinander sind, sondern auf den selben Spulenkörper gewickelt sind. Da die Spulenlänge konstant bleibt, sich die Windungszahl aber verdoppelt (welche quadratisch in die Induktivität eingeht) erhält man die vierfache Induktivität.

2) Strom und Verlustleistung

Die Katalogdaten von Schrittmotoren mit 6 oder 8 Anschlüssen beziehen sich (soweit nicht explizit etwas anderes angegeben wurde) auf den unipolaren Betrieb. Der Motorstrom ist dabei so festgelegt, dass der Motor auch im Dauerbetrieb thermisch nicht überlastet wird. Wird nun ein unipolarer Motor bipolar betrieben, ist die ganze Wicklung bestromt, im unipolaren Betrieb nur eine Hälfte. Die thermische Belastung wird im unteren Drehzahlbereich im Wesentlichen durch die Kupferverluste in der Wicklung bestimmt. Hier gilt P(verlust)=I²*R. Damit im bipolaren Betrieb (bei doppeltem Wicklungswiderstand) die gleiche Verlustleistung anfällt, muss der Strom um den Faktor 1/Wurzel(2)=0,707 reduziert werden.

3) Drehmoment

Die elektrische Wicklungszeitkonstante (t=L/R) ist also bei einem bipolar betriebenen Motor doppelt so hoch wie im unipolaren Betrieb. Das führt letztlich dazu, dass das Drehmoment beim bipolaren Betrieb im oberen Drehzahlbereich schneller abfällt, da beim schnellen Umpolen der Wicklung der Strom nicht so schnell auf- und abgebaut werden kann. Auf der anderen Seite ist das Moment im unteren Drehzahlbereich etwa 30-40% höher, weil die doppelte Anzahl Wicklungen zur Momentbildung beiträgt, gleichzeitig aber der Strom geringer ist. Theoretisch müsste das Haltemoment im bipolaren Betrieb also genau um den Faktor Wurzel(2)=1,414 höher sein als beim unipolaren Betrieb, in der Praxis kommen jedoch zusätzlich noch Sättigungseffekte ins Spiel.

1) Strom und Verlustleistung

Die Katalogdaten von Schrittmotoren mit 6 oder 8 Anschlüssen beziehen sich (soweit nicht explizit etwas anderes angegeben wurde) auf den unipolaren Betrieb. Der Motorstrom ist dabei so festgelegt, dass der Motor auch im Dauerbetrieb thermisch nicht überlastet wird. Wird nun ein unipolarer Motor bipolar betrieben, ist die ganze Wicklung bestromt, im unipolaren Betrieb nur eine Hälfte.