Anwendungsmöglichkeiten für Schrittmotoren in der Produktions- und Automatisierungstechnik

August 19th, 2011

Durch Auswahl der für die Anwendung optimalen Schrittmotor-Steuerung lassen sich Schrittmotore deutlich schneller und einfacher in die verschiedensten Anwendungen integrieren. Der folgende Beitrag gibt einen Überblick über die Möglichkeiten und nennt einige Anwendungsbeispiele von der animierten Produktfotografie bis hin zu Drosselklappensteuerungen oder Wickeleinrichtungen.

Schrittmotoren als Ersatz für langsam laufenden Gleichstrom-Getriebemotoren

In vielen Anwendungen werden Antriebe benötigt, die lediglich eine konstante und oft niedrige Drehzahl bereitstellen müssen. Beispiele sind Antriebe für Zuführeinheiten, Band- oder Kettenantriebe für den Produkttransport, Stationen zum Einschleusen von Bauteilen in Montageprozesse usw. Aufgrund der niedrigen Drehzahlen werden hierfür oft Getriebemotoren eingesetzt, vielfach noch mit bürstenbehafteten Gleichstrommotoren. Aufgrund ihrer hohen Polpaarzahl und des vergleichsweise hohen Drehmomentes bieten sich Schrittmotoren als alternative Antriebsform an. Die Vorteile liegen auf der Hand: Besseres Störverhalten (EMC) durch Entfall des Bürstenfeuers und vor allem deutlich niedrigere Ausfallraten, da die verschleißanfälligen Komponenten Getriebe und Bürsten entfallen. Durch den Wegfall des Getriebes ist die Lösung mit Schrittmotor zudem oft auch preiswerter. Dank moderner Ansteuerverfahren mit Mikroschritt stehen Schrittmotoren anderen Antrieben in Hinblick auf das Geräuschverhalten in nichts nach.

Für den einfachen Einsatz in der Anwendung muss allerdings ein Taktsignal für die Schrittmotorsteuerung bereits gestellt werden. Auf Basis des Timer-ICs NE555 kann mit wenigen Bauteilen eine Schaltung aufgebaut werden, die ein über Spindeltrimmer einstellbares Taktsignal erzeugt. Das Bild zeigt den Schaltplan mit dem NE555 in der Grundschaltung als so genannter Multivibrator. Über den Spindeltrimmer kann die Frequenz innerhalb von mindestens einer Dekade verstellt werden. Durch Variation des Kondensators (z.B. Weglassen von C2) kann der Frequenzbereich zusätzlich variiert werden. Eine entsprechende Leerplatine ist über mechapro.de erhältlich. Die gleiche Grundschaltung wurde in der Schrittmotor-Endstufe Tinystep II verwendet (nur in den Ausführungen „plus“ und „Tragschienen-Gehäuse“. Andere Motortreiber enthalten einen Mikrocontroller, der die Ansteuerung der Endstufe übernimmt. Ist ein Controller vorhanden, bietet es sich natürlich an, diesen auch für die Takterzeugung zu verwenden. Die Treiber der DS10-Reihe von LAM bieten so die Möglichkeit, über I/O zwei parametrierbare Frequenzen auszuwählen.

Beschaltung des NE555 als Multivibrator zur Takterzeugung

Bei größeren bewegten Massen oder Bewegungen mit höheren Drehzahlen benötigen Schrittmotoren eine Anlauframpe. Neben umfangreich programmierbaren Treibern (wie z.B. der DS30-Serie von LAM) gibt es Lösungen mit analoger Sollwertvorgabe für die Drehzahl. So kann eine übergeordnete Steuerung direkten Einfluss auf die Drehzahl des Schrittmotors nehmen, ohne Frequenzen bis in den zweistelligen kHz-Bereich erzeugen zu müssen. Die bietet einen Eingang für +/-10V, mit dem die Drehzahl bis 5U/s eingestellt werden kann. Neben den zuvor genannten Anwendungen können Schrittmotoren so auch für Registerregelungen, Wickelvorrichtungen usw. eingesetzt werden.

Vielfältige Möglichkeiten mit frei programmierbaren Schrittmotorsteuerungen

Frei programmierbare Treiber wie die DS30-Serie von LAM ermöglichen den Einsatz von Schrittmotoren für vielfältige Anwendungen, ohne das eine permanente PC-Verbindung oder eine komplexe SPS erforderlich wären. Digitale und analoge Ein- und Ausgänge synchronisieren das interne Programm mit dem Verhalten der Anlage. Um z.B. eine Drosselklappenverstellung abhängig von einem analogen Sollwert zu realisieren, wird in der Steuerung der Wert des analogen Eingangs mit der Sollposition des Antriebs verknüpft. Beim Einsatz in Wickelvorrichtungen kann der Analogwert hingegen zur Anpassung der Geschwindigkeit des Wicklers eingesetzt werden. Zur Steuerung von Drehtellern für die Produktfotografie können z.B. feste Wegstrecken eingestellt werden, die dann entweder über einen Eingang oder voll automatisch ausgelöst werden können. Durch den Einsatz von Wartezeiten und eines Ausgangssignals kann ggf. sogar die Ansteuerung der Kamera integriert werden, so dass nach Ablauf eines Fotoshootings nur noch die Bilder von der Kamera auf einen PC übertragen werden können. Noch komfortabler geht es nur noch durch den Einsatz eines USB-Controllers und einer auf die Anwendung abgestimmten PC-Software…

Falls eine Referenzfahrt oder ein Freigabesignal erforderlich ist, kann dies problemlos über die digitalen Eingänge gelöst werden, während die digitalen Ausgänge z.B. Fehlerzustände, Bereitsignale u.ä. signalisieren können. Zusätzlich steht ein analoger Ausgang zur Verfügung, mit dem z.B. die aktuelle Geschwindigkeit des Motors ausgegeben werden kann. Für alle Eingangswerte und die internen Variablen stehen mathematische Funktionen zur Verfügung, so dass auch komplette Regler realisiert werden können.

Abseits von reinen Schrittmotor-Endstufen mit Takt-/Richtungssignalen erschließen Schrittmotor-Steuerungen mit Zusatzfunktionen ein breites Anwendungsfeld. Ich hoffe, ich konnte Sie mit den vorgestellten Beispielen inspirieren und würde mich über Ergänzungen aus Ihrer beruflichen Praxis freuen.

Resonanzen bei Schrittmotoren

Juli 28th, 2011

Gesteuert betriebene Schrittmotoren weisen, je nach Last und Art der Ansteuerung, unterschiedlich starke Resonanzbereiche auf. Der folgende Beitrag gibt einen kurzen Überblick über die Ursache und mögliche Lösungen, mit denen das Auftreten von Resonanzen und damit letztlich ein Schrittverlust vermiedenen werden kann.

Resonanzen bei Schrittmotoren lassen sich grob in zwei Bereiche unterteilen, die unterschiedliche Ursachen haben. Im unteren Frequenzbereich (bis ca. 250 Hz) handelt es sich um mechanisch angeregte Schwingungen, die im Bereich der Eigenfrequenzen der Mechanik Aufgrund mangelnder Dämpfung kritisch werden können. Im mittleren bis oberen Frequenzbereich hat man es dagegen mit einer geringer werdenden Dämpfung aufgrund der induzierten Gegenspannung (EMK) und Wechselwirkungen mit der Treiberschaltung (Endstufe) zu tun.

Resonanzen im unteren Frequenzbereich

Bei der Betrachtung des Lastwinkels wurde bereits diskutiert, dass ein Schrittmotor nur dann ein Drehmoment erzeugt, wenn der Winkel zwischen dem elektromagnetischem Feld und Rotor ungleich null ist. Wir der Motor ohne Last mit konstanter Frequenz betrieben, ergibt sich bei jedem Umschalten einer Wicklung eine schlagartige Änderung dieses Winkels. Der Rotor bewegt sich jedoch annähernd gleichförmig, so dass der Lastwinkel stark schwankt. Es ergibt sich ein starkes Pendelmoment. Nur der Gleichanteil dieses Pendelmoments steht zum Antreiben von Lasten zur Verfügung. Bei niedriger Dämpfung und ungünstiger Anregungsfrequenz wird der Rotor zum Schwingen angeregt und das System schaukelt sich weiter auf. Die betroffenen Frequenzen hängen stark von der angekoppelten Last und der damit verbundenen Reibung ab. Umso geringer die Reibung und die Trägheit im System sind, umso größer ist die Gefahr von Resonanzproblemen. In weniger „geschönten“ Drehmomentkurven sind Resonanzstellen gut durch Einbrüche im Drehmomentverlauf zu erkennen. Das vorhanden sein eines solchen Einbruchs bedeutet aber nicht, dass der Motor im entsprechenden Frequenzbereich kein oder kaum Drehmoment erzeugt. Ist der Motor entsprechend belastet, erzeugt er sehr wohl ein entsprechendes Moment. Man muss aber darauf achten, dass die Last oder die Reibung nicht zu klein werden können.

Resonanzen im unteren Frequenzbereich sind besonders bei Ansteuerung im Vollschritt und zum Teil auch bei Halbschrittbetrieb ausgeprägt. Der Betrieb von Schrittmotoren im Vollschritt kann daher allgemein nicht empfohlen werden. Deutlich weniger Resonanzprobleme treten bei Ansteuerung im Mikroschritt auf. Probleme kann aber auch die anzutreibende Mechanik machen, wenn sie nicht ausreichend steif ist und Eigenfrequenzen in Bereichen aufweist, die vom Motor angeregt werden können. Sind die kritischen Frequenzbereiche bekannt und liegen sie unterhalb der Arbeitsgeschwindigkeit, empfiehlt es sich, den Motor schnell durch die kritischen Bereiche hindurch zu beschleunigen. Auch die geeignete Wahl von Getrieben oder anderen Übersetzungsstufen kann helfen, Resonanzbereiche zu meiden. Falls das nicht ausreicht, können mechanische Dämpfer Abhilfe schaffen. Diese gibt es z.B. als preiswerte Flanschdämpfer, die zwischen Motor und Mechanik montiert werden. Oder als Silikongel Dämpfer in Scheibenform, die z.B. auf das hintere Wellenende eines Schrittmotors montiert werden können. Diese Lösung ist aber vergleichsweise teuer. Flanschdämpfer verschlechtern dagegen die Kühlung des Motors über die Struktur der Mechanik, da kein direkter Kontakt mehr besteht. Außerdem stellen sie eine zusätzliche Nachgiebigkeit zwischen Motor und Last dar und verringern so die Positioniergenauigkeit. Gute Ergebnisse erreicht man auch durch den Einsatz eines Zahnriemens statt einer Metallbalgkupplung zwischen Motor und Last. Allerdings muss das möglichst schon in der Planungsphase berücksichtigt werden, da sonst größere Änderungen an der Mechanik erforderlich werden.

Mechanische Dämpfer für den Einsatz an Schrittmotoren. Links: Flanschdämpfer, rechts Wellendämpfer.

Resonanzen im mittleren Geschwindigkeitsbereich (engl. „midband resonances“)

Resonanz Erscheinungen im mittleren Frequenzbereich sind meist deutlich weniger ausgeprägt als im Bereich der mechanischen Eigenfrequenzen. Während die mechanische Dämpfung (aufgrund von Reibung usw.) mit der Geschwindigkeit leicht ansteigt, erreicht die Dämpfung aufgrund der Gegen-EMK ein lokales Maximum und fällt dann wieder ab. Dieses Verhalten ist auf die Wicklungsinduktivität zurück zu führen, die dafür sorgt, dass mit steigender Drehzahl der Winkel zwischen induzierter Spannung und dem daraus resultierenden Strom größer wird, was die (Verlust-)Leistung kleiner werden lässt. Durch ihren hohen Innenwiderstand haben moderne Choppertreiber keinen zusätzlichen dämpfenden Einfluss auf den Motor. Es ergibt sich somit ein Geschwindigkeitsbereich, in dem die Dämpfung des Systems mit der Drehzahl abnimmt. Zusätzliche Probleme können sich im oberen Drehzahlbereich ergeben, wenn der Stromregler aufgrund der Wicklungsinduktivität und der schnellen Umpolvorgänge keine Wirkung mehr hat. Der Treiber arbeitet dann wie ein einfacher L/R-Treiber, so dass der Motorstrom direkt von der Versorgungsspannung abhängt. Ist diese nicht ausreichend mit Kondensatoren stabilisiert, kann es bei ungünstigen Verhältnissen (Ansteuerung des Motors mit einem Vielfachen des Netzripples) zu einem Aufschwingen des Motors kommen.

Abhilfe schaffen z.T. schaltungstechnische Maßnahmen, die aber nicht trivial sind und immer auf den jeweiligen Motor abgestimmt werden müssen. Schwingungsvorgänge lassen sich als eine dem Betriebsstrom überlagerte Sinuskomponente messen. Die Messung kann in der Zuleitung zu den Endstufentransistoren erfolgen. Über eine Filterstufe kann dann der Wechselanteil identifiziert werden. Zur Schwingungskompensation gibt es zwei mögliche Vorgehensweisen. Eine Möglichkeit besteht darin, eingehende Schrittimpulse mehr oder weniger stark zu verzögern. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Phasenverschiebung zwischen Rotor und Feld. Die andere Möglichkeit besteht darin, die Motorströme so zu modulieren, dass der Strom erhöht wird, wenn der Rotor zu stark nacheilt und reduziert wird, wenn der Motor zu sehr voreilt. Der Aufwand zur wirksamen Unterdrückung von Schwingungen kann also je nach Aufbau des Systems erheblich werden.

Resonanzen bei Closed-Loop Betrieb

Inzwischen lässt sich ein Trend erkennen, auch Schrittmotoren geregelt zu betreiben. Die Firma Nanotec bietet z.B. schon seit einiger Zeit verschiedene Treiber an, die einen Encoder-Eingang haben und neben einer reinen Schrittverlusterkennung auch einen geregelten Betrieb ermöglichen („closed loop“). Trinamic zielt mit seinen Stallguard-2 Treibern in die gleiche Richtung, vermeidet aber den Aufwand für einen Drehgeber, in dem eine sensorlose Lastwinkelerkennung zum Einsatz kommt. Aber auch mit geregelten Antrieben ist man vor Resonanzen nicht sicher. Zunächst einmal müssen Regler vernünftig abgestimmt werden, was eine gewisse Erfahrung erfordert. Zu hohe Reglereinstellungen führen zur Instabilität des Systems, zu niedrige Einstellungen bedingen hohe Nachgiebigkeiten und damit niedrigere Dynamik und Positioniergenauigkeit.

Aber auch die beste Regelung nützt nichts, wenn die anzutreibende Mechanik nicht steif genug ist, wie folgendes Beispiel aus der Praxis verdeutlicht. Im Rahmen eines Beratungsprojektes sollte ein Schrittmotorantrieb für eine Dosierpumpe optimiert werden, die über einen Zahnriemen angetrieben wurde. Nachdem man im gesteuerten Betrieb bei hohen Drehzahlen gelegentlich Schrittverluste festgestellt hatte, wurde das System auf geregelten Betrieb umgestellt. Jetzt traten allerdings (abhängig von weiteren Einflüssen, die nicht publiziert werden dürfen und hier auch nicht relevant sind) Störgeräusche auf. Mittels Messungen konnte eine extreme Drehmomentwelligkeit im Antriebsstrang nachgewiesen werden, obwohl es auf der Lastseite hierfür keinen erkennbaren Grund gab. Die auftretenden Frequenzen lagen (drehzahlabhängig) bei wenigen Hertz, die Amplitude erreichte z.T. mehr als ein Viertel des Motornennmomentes.

Neben einer ungünstigen Auslegung des Zahnriemens selbst (zu geringer Umschlingungswinkel und zu geringe Zähnezahl) konnte letztlich der federbelastete Riemenspanner als Hauptursache der Probleme ausgemacht werden. Obwohl die Spiralfeder subjektiv eine hohe Steifigkeit aufwies, führten Lastwechsel im Riementrieb dazu, dass sich die Riemenspannung über den Vorspannmechanismus lastabhängig variierte. Nachdem die Feder entfernt und der Riemen statisch vorgespannt wurde, konnten die Reglereinstellungen deutlich erhöht werden. Der Antrieb lief anschließend geräuschlos und mit deutlich reduziertem Drehmoment-Ripple.

Made in China – Hauptsache billig oder was?

Juni 29th, 2011

Anläßlich des aktuell stattfindenden deutsch-chinesischen Gipfeltreffens in Berlin (oder sollte man besser sagen: der Handelmesse für DAX-Riesen) erinnere ich mich an eine SWR-Reportage zu den Arbeitsbedingungen in der chinesischen Elektroindustrie. Wie es im die Menschenrechte in China bestellt ist, sollte jedem politisch nur minimal interessierten Menschen klar sein. Wie die Arbeitsbedingungen konkret aussehen, war mir aber z.B. im Detail nicht klar. Welche Schlüsse man daraus zieht, bleibt jedem selbst überlassen. Ein völliger Verzicht auf Elektronik „Made in China“ dürfte ohnehin unmöglich sein, da in vielen Bereichen inzwischen fast ausschließlich in China produziert wird. Wo man aber die Wahl hat, sollte man vielleicht überlegen, ob man einem Produkt aus europäischer Produktion nicht den Vorzug gibt, auch wenn es vielleicht ein paar Prozent mehr kostet. Dafür hat man dann z.B. bei Problemen auch einen Ansprechpartner vor Ort.

SWR-Reportage ‚Hauptsache billig‘, Teil 3 bei YouTube

SWR-Reportage ‚Hauptsache billig‘, Teil 4 bei YouTube

Ergänzend dazu ein Bericht über den Gipfel bei Spiegel Online. Klar, dass Menschenrechte nur am Rande erwähnt werden, wenn man große Geschäfte machen will.

Die anderen Teile der Reportage sind übrigens auch interessant. Dort geht es um den Gemüseanbau in Portugal für Penny und die Textilherstellung für Lidl in Bangladesh…

Betrachtungen zur Leistung von Schrittmotoren

Juni 6th, 2011

Da mich immer wieder Anfragen zur Auslegung von Netzteilen für Schrittmotor-Steuerungen erreichen, habe ich vor einigen Jahren angefangen, mich etwas intensiver mit dem Thema auseinander zu setzen. Eine Anfrage bei verschiedenen Herstellern von Schrittmotoren, wie denn die Leistungsaufnahme von Schrittmotor und –Endstufe zu berechnen sei, stieß überwiegend auf Achselzucken. Die einzigen Aussagen zum Thema waren, dass so etwas normalerweise nicht berechnet, sondern in der jeweiligen Anwendung gemessen würde. Das mag für Serienanwendungen sicherlich die einfachste Lösung sein. Für den Sondermaschinenbauer, der nur eine Anlage baut, ist diese Herangehensweise aber nicht befriedigend. Und selbst für die Serienanwendung ergibt sich der Nachteil, dass man zunächst den Aufbau eines Prototypen abwarten muss. In Zeiten, wo möglichst das gesamte Anlagenverhalten schon vor dem Abschluß der Konstruktion simuliert werden soll, stellt sich also die Frage, ob es eine theoretische Herangehensweise an das Problem gibt. Wie ich nach einiger Beschäftigung mit dem Thema feststellen musste, ist eine exakte Berechnung von Leistungsaufnahme oder abgegebener mechanischer Leistung tatsächlich alles andere als trivial. Es lassen sich aber durchaus Abschätzungen treffen. Da die Materie so komplex ist, werde ich dem Thema in nächster Zeit mehrere Beiträge widmen. Im ersten Teil möchte ich zunächst einen allgemeinen Überblick geben.

Eine häufig getroffene Annahme von meinen Kunden zur Netzteilauslegung sieht etwa so aus: Strom pro Phase * 2 Phasen pro Motor * Anzahl der Motoren = Gesamtstrom. Das führt dann dazu, dass in einer Anlage mit 4 Motoren a 2A Phasenstrom ein Netzteil mit 16A Nennstrom bei 40V, also stolzen 640VA eingeplant wird. Bei größeren Motoren mit höheren Strömen würde das Netzteil entsprechend noch dicker ausfallen. Das ein einzelner Nema23 Motor (Flanschmaß 56mm, Länge 76mm) keine 160W Dauerleistung umsetzen kann, sollte aber schon auf den ersten Blick klar sein. Ein entsprechender Gleichstrommotor hat bei vergleichbarer Leistung bereits einen Durchmesser von 83mm bei 167mm Länge, z.B. der Engel GNM 5440E

Tatsächlich darf man die Ströme der Motoren nicht einfach addieren, da stromgeregelte Endstufen ähnlich wie Schaltnetzteile arbeiten. Die PWM sorgt für ein ständiges Ein- und Ausschalten der Wicklung, wodurch tatsächlich nur in einem kleinen Intervall Strom vom Netzteil in die Wicklung fließt. Für den statischen Fall (also n=0, d.h. der Motor dreht sich nicht), könnte man über das Verhältnis von Versorgungsspannung zu Motor Nennspannung auf das Einschaltverhältnis schließen. Bei einem Motor mit 4V Nennspannung dürfte die Wicklung bei 24V Betriebsspannung also nur 1/6 der Zeit eingeschaltet sein. Entsprechend würde der Strom vom Netzteil nur 1/6 des Nennstroms betragen. Tatsächlich kommt man mit dieser groben Näherung nicht weit, weil man die Verluste in der Endstufe vernachlässigt und im Allgemeinen auch keinen Motor benötigen würde, wenn er sich nicht auch drehen sollte. Man sieht aber bereits hier, dass der Strom vom Netzteil wohl niedriger sein muss als die Summe der Phasenströme.

Funktionsweise der PWM-Stromregelung

Funktionsweise der Stromregelung mittels PWM. CH1: Spannung an einem Wicklungsende (gegen Masse gemessen), CH3: Motorstrom über LEM-Wandler gemessen (0,6V/1A Phasenstrom). Einschaltzeit: ca. 25%

Betrachtet man die Situation etwas systematischer, wird klar, dass man die Netzteilauslegung nur über die erforderlichen Leistungen machen kann. Die Gesamtleistung für den Antrieb setzt sich wie folgt zusammen:

Ptotal=PV,End+PV,Mot+PMech

Dabei sind PV,End die Verluste in der Endstufe (z.B. Spannungsabfall an den Leistungstransistoren), PV,Mot die Verluste im Motor (Kupferverluste) und PMech die mechanisch abgegebene Leistung. Bevor ich weiter ins Detail gehe (und den Beitrag unnötig in die Länge ziehe) zunächst mal ein paar Ergebnisse aus der Praxis. Die theoretischen Überlegungen spare ich mir dann für den nächsten Teil. Für den Praktiker reichen u.U. schon die nachfolgend angestellten Überlegungen.

Als Beispielmotor wird nachfolgend der KH56QM2-951 von Nidec Servo (früher Japan Servo) verwendet. Das Datenblatt finden Sie hier: Motor-Datenblatt KH56QM2-951

KH56QM2 Drehmoment Kennlinie

Drehmoment Kennlinie KH56QM2-951. Die Pulse-Rate geteilt durch 200 ergibt die Drehzahl U/s.

Aus dem Nennstrom von 2A und dem Wicklungswiderstand von 2R lassen sich die Motorverluste nach P=I²*R*2 (Faktor 2 wegen der 2 Wicklungen) zu insgesamt 16 Watt abschätzen, wenn man annimmt, dass die Wicklungen tatsächlich konstant mit 2A bestromt werden. Spätestens bei höheren Drehzahlen ist diese Annahme nicht mehr gültig und der Motorstrom fällt deutlich niedriger aus.

Die mechanisch abgegebene Leistung kann man aus der Drehzahl-Drehmoment Kennlinie im Datenblatt zurückrechnen. Hier gilt: PMech=2*π*n*M (Achtung, n in 1/s einsetzen!). Leider ist die Kennlinie vom KH56QM2 linear und nicht logarithmisch über die Drehzahl aufgetragen. Das Fehlen von Peaks (=Resonanzen) deutet außerdem darauf hin, dass die Werte nachträglich geglättet wurden. So lassen sich für Drehzahlen <2,5U/s leider keine brauchbaren Werte ablesen. Bei 5U/s kann man eine mechanisch abgegebene Leistung von ca. 25 Watt ermitteln. Diese Werte gelten natürlich nur unter den Bedingungen, unter denen die Kennlinie aufgenommen wurde. Insbesondere eine Variation der Versorgungsspannung führt zu deutlich abweichenden Verhältnissen. Höhere Spannungen ergeben mehr Drehmoment im oberen Drehzahlbereich und damit auch mehr abgegebene Leistung.

Die Verlustleistung der Endstufe soll zunächst über eine Messung größenordnungsmäßig abgeschätzt werdeb. Hierzu habe ich den Motor an zwei verschiedenen Endstufen betrieben und den Strom vom Netzteil gemessen. Um sicherzugehen, dass die vom Netzteil angezeigten Ströme korrekt sind, habe ich Vergleichsmessungen mit Stromsensoren gemacht (Typ LEM LA 25-NP). Offensichtlich ist die Anzeige des verwendeten Netzteils (EA PS2332-025) genau genug, so dass keine Abweichungen festgestellt werden konnten, obwohl der Strom zumindest bei drehendem Motor einen deutlich Oberwellenanteil hatte.

Mit der 3D-Step auf Basis der bipolaren H-Brücke L298 ergab sich eine Stromaufnahme von 1,43A. Bei 24V ergibt sich die gesamte Leistungsaufnahme zu 34,42W. Durch die separate Logikversorgung mit 5V muss man fairer weise weitere 1,5W hinzurechnen. Bei der Slider SFX auf Basis des deutlich moderneren Allegro A3959 liegt die Stromaufnahme vom Netzteil bei nur 0,92A, entsprechend 22,08W. Da die Messung bei Stillstand des Motors erfolgte, ist die mechanisch abgegebene Leistung gleich Null. Die gemessene Leistung wird also vollständig in Motor und Endstufe umgesetzt. Schon diese Messung zeigt, welche Vorteile eine moderne MOSFET-Endstufe mit niedrigem Einschaltwiderstand bieten kann. Alleine bei einem Motor reduziert sich die Verlustleistung um 14W. Hochgerechnet auf drei Achsen ergibt sich sogar ein Einsparpotential von 42W.

Bisher wurde hier nur der statische Fall ohne Last betrachtet. Wie im nächsten Beitrag anhand von Messungen gezeigt wird, steigt die Verlustleistung des Gesamtsystems über die Drehzahl jedoch kaum an. Zu den zuvor genannten Leistungsdaten muss also für eine überschlägige Abschätzung der insgesamt benötigten Leistung nur noch die mechanisch abgegebene Leistung addiert werden, so dass sich bei voller Last je nach Endstufe ein Leistungsbedarf von 45-60W je Motor ergibt. Für kleinere Motoren und niedrigere Spannungen fällt der Bedarf entsprechend kleiner aus, für größere Motoren und höhere Spannungen kann die Leistungsaufnahme aber auch deutlich höher liegen…

Seriell oder parallel? Alles eine Frage der Drehzahl, oder?

Mai 24th, 2011

Über die Unterschiede von unipolaren und bipolaren Schrittmotoren wurden bereits einige Worte verloren. Aber wie sieht es bei Motoren mit 8 Anschlüssen aus, sollte man hier die Wicklungen seriell oder parallel verschalten? Das ist in erster Linie eine Frage der geforderten Drehzahl, aber auch des Geldbeutels. Der folgende Beitrag widmet sich den Vor- und Nachteilen beider Beschaltungsarten.

Warum sich bei einem unipolaren Motor die Wicklungsinduktivität vervierfacht, wenn man die Wicklungen bipolar betreibt (also in Reihe schaltet), wurde ja bereits hergeleitet. Dieser Zusammenhang gilt natürlich auch für einen Schrittmotor mit 8 Anschlüssen. Aus dem gleichen Grund ändert sich die Induktivität gegenüber dem uniolaren Fall nicht, wenn man die Wicklungshälften parallel schaltet. Für den Wicklungswiderstand gelten dagegen die bekannten Zusammenhänge für Reihen- und Parallelschaltung, also doppelter Widerstand im seriellen Betrieb und halber Widerstand bei parallelem Betrieb. Oder anders ausgedrückt: Beim Wechsel von parallel auf seriell vervierfacht sich der Widerstand. Und das hat Auswirkungen auf die elektrische Zeitkonstante der Wicklung (tau=L/R). Sie bleibt nämlich in beiden Fällen gleich.

Trotzdem gibt es erhebliche Unterschiede in der Perfomance des Motors. Dieser Effekt ist durch die Spannung zu erklären. Legt man die gleiche Spannung an einen Schrittmotor mit parallel geschalteten Wicklungen an und an einen mit seriell geschalteten Wicklungen, liegt an den Teilwicklungen des ersten Motors die volle Spannung an, wärend die seriell geschalteten Wicklungen eine Art Spannungsteiler bilden, so dass jede Teilwicklung nur die halbe Betriebsspannung „sieht“. Und da eine höhere Betriebsspannung zu einem schnelleren Stromanstieg führt, erreicht ein Motor mit parallel geschalteten Wicklungen deutlich höhere Drehzahlen (bzw. bei gleicher Drehzahl mehr Drehmoment, zumindest im oberen Bereich der Kennlinie).

Die folgenden Kennlinen verdeutlichen den Unterschied. Während der seriell beschaltete Schrittmotor bei 24V= und 200 U/min nur noch 0,7N, erreicht, schafft der parallel verschaltete Motor mit 1,7Nm noch mehr als das Doppelte. Die Kennlinien gelten übrigens auch für den PK268-E2.0, bei PK268PDA und PK268PA ist lediglich die serielle bzw. parallele Verdrahtung schon werksseitig vorgenommen worden. Einen ähnlichen Effekt wie der Wechsel von serieller zu paralleler Beschaltung hat übrigens eine Anhebung der Betriebsspannung, wie der 2. Satz Kennlinien deutlich macht. Wegen der unterschiedlichen Spannungen (36V vs. 48V) sind jetzt beide Beschaltungsarten allerdings nicht mehr direkt vergleichbar.

Kennlinen PK268

Drehzahl Drehmoment-Kennlinien beim PK268 (oben parallel, unten seriell).

(Quelle: Katalog 2-Phasen Schrittmotoren, Fa. Oriental Motor)

Da beide Teilwicklungen mit dem Nennstrom betrieben werden sollen, erreicht man die höhere Leistung im Parallelbetrieb (wir erinnern uns: P=ω*M, also Leistung ist Drehmoment mal Drehzahl) letztlich durch einen höheren Strom. Und damit benöigt man unter Umständen eine leistungsstärkere Schrittmotorsteuerung (bzw. -endstufe), die dann entsprechend teurer ausfällt. Ob sich der Leistungssprung lohnt, ist also auch eine finanzielle Frage. Ob eine höhere Betriebsspannung für genügend Drehmoment-Reserve sorgt, muss im Einzelfall geprüft werden, z.B. durch Simulationen oder Messungen. Bei Serienanwendungen ist es nicht unüblich, vom Motorhersteller Kennlinien für die konkreten Betriebsbedingungen messen zu lassen. Unter Umständen erreicht man aber auch erst mit einer kundenspezifisch angepassten Wicklung ein optimales Ergebnis. Es kann sich also lohnen, einen externen Berater hinzuzuziehen…

Stromregelung von Schrittmotoren – Auf das Abschalten kommt es an

Mai 15th, 2011

Bei der Ansteuerung von Schrittmotoren haben sich schon längst Treiber mit Konstantstromregelung durchgesetzt. Ansteuerungen mit Konstantspannung findet man nur noch vereinzelt, z.B. bei Zeigerinstrumenten im Automobil, siehe vorletzter Beitrag. Entscheidend für die Performance einer Schrittmotor-Endstufe mit Konstantspannungsregelung ist, neben der Höhe der Versorgungsspannung und dem Wicklungsstrom vor allem die Phase, in der der Strom in der Wicklung wieder abgebaut wird. Die unterschiedlichen Verfahren erläutert der folgende Beitrag.

Induktivitäten versuchen, aufgrund der in ihnen gespeicherten Energie, nach dem Abschalten der Spannung den durch sie fließenden Strom aufrecht zu erhalten. Je nach dem, wie die Wicklung abgeschaltet wird, wird der Strom schneller oder langsamer abgebaut. Davon hängt letztlich auch ab, wie schnell der Strom in die Gegenrichtung aufgebaut werden kann, wenn der Schrittmotor schnell läuft und die Wicklungen oft umgepolt werden. Beim slow decay erfolgt der Stromabbau langsam, was bei hohen Drehzahlen (d.h. häufigem Umgepolen) dazu führen kann, dass der Strom nicht schnell genug abgebaut werden kann. Insbesondere im Mikroschritt ergibt sich dann eine deutliche Abweichung von der gewünschten, sinusähnlichen Stromkurve, die auch zu hörbaren Geräuschen durch Schwankungen im Drehmoment führen kann.

Stromverlauf bei slow decay Stromregelung

Stromverlauf bei slow decay Stromregelung (Quelle: "A new microstepping motor driver IC", Kongress-Paper über den A3977 zur PCIM 2001, Allegro Micro).

Beim „slow decay„, also dem langsamen Abklingen des Stromes, wird die Wicklung zunächst (während der deadtime) über die Dioden der Vollbrücke kurzgeschlossen, bevor einer oder beide unteren FETs bzw. Transistoren der Brücke eingeschaltet werden (prinzipiell können alternativ auch die oberen FETs eingeschaltet werden).  Man kann die beiden FETs gedanklich auch gegen 2 Widerstände ersetzen, die mit der Motorwicklung in Reihe geschaltet werden. Die Phase zwischen dem Ein-Zustand und dem Kurzschließen der Wicklung (Deadtime bzw. Totzeit) wird durch die Dioden überbrückt. Bei FETs wird diese Aufgabe automatisch von den internen Body-Dioden übernommen, bei Transistorbrücken müssen unbedingt schnelle externe Dioden verwendet werden. Wird anschließend nur ein FET eingeschaltet (Q4 im Bild), läuft der Strom auf der Gegenseite über die Diode. Da der Spannungsabfall über den Dioden meist größer ist als der in den FETs, schalten moderne Treiber meist beide FETs ein. Das Verfahren wird auch „synchronous rectification“ oder „synchronous decay“ genannt. Das folgende Bild zeigt die sich ergebenden Strompfade.

Strompfade bei slow-decay Stromregelung

Strompfade in einer FET-Brücke bei slow-decay Stromregelung

Deutlich schneller geht der Stromabbau beim „fast decay„, also dem schnellen Abklingen des Stromes. Nach der deadtime wird die Wicklung durch Umpolen kurzgeschlossen, bis der Strom auf Null abgeklungen ist. Auch hier kann der Kurzschluss entweder über die Dioden oder über gezieltes Schalten der FETs erfolgen. Dabei wird die in der Wicklung gespeicherte Energie in die Versorgung zurück gespeist, was zwar die Verluste mindert, aber auch zu einem höheren Ripple im Strom und in der Versorgungsspannung führt. Außerdem kann der schnelle Stromabbau dazu führen, dass bei niedrigen Drehzahlen der Mittelwert des Wicklungsstromes deutlich kleiner ist als eigentlich vorgesehen.

Strompfade bei fast-decay Stromregelung

Strompfade in einer FET-Brücke bei fast-decay Stromregelung

Im „mixed decay“ werden die Vorteile beider Verfahren vereint. Der Strom wird zunächst bis zu einer (meist in mehreren Stufen einstellbaren) Schwelle per fast decay abgebaut, bevor auf slow decay umgeschaltet wird. Zusätzlich wird in Phasen, in denen der Strom aufgebaut werden soll (also vom Nulldurchgang bis zum max. Phasenstrom) nur mit slow decay gearbeitet, wärend im 2. Teil der Halbwelle mit mixed decay gearbeitet wird. Das folgende Bild veranschaulicht die unterschiedlichen Phasen am Beispiel des A3977 im 1/8 Schritt Mikroschritt.

Phasenstrom mixed decay

Phasenstrom bei mixed decay Stromregelung, Unterteilung in Phasen des Stromauf- und -abbaus (Quelle: Datenblatt A3977, Allegro Micro).

Der unterschiedliche Verlauf des Motorstroms sieht dann in den mixed decay Phasen wie folgt dargestellt aus:

Stromverlauf mixed decay

Stromverlauf mixed decay (Quelle: "A new microstepping motor driver IC", Kongress-Paper über den A3977 zur PCIM 2001, Allegro Micro).

Weitere Literatur zum Thema: „Current Recirculation and Decay Modes“, Application Report SLVA321–March 2009, Texas Instruments

Übersicht über gängige integrierte Schrittmotor-Treiber

April 27th, 2011

Soll für eine Anwendung eine neue Schrittmotor-Steuerung entwickelt werden, geht die Suche nach den geeigneten Treiber-Bausteinen los. Neben den „alten Bekannten“ wie z.B. L293D, L297/L298 oder PBL3717A gibt es heute eine interessante Auswahl an voll integrierten Lösungen mit Mikroschritt und vielen weiteren interessanten Funktionen. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die bekanntesten ICs und deren wichtigeste Eigenschaften. Nicht zu allen Bauteilen sind über die Hersteller Demo-Boards erhältlich. Daher sind, soweit bekannt, exemplarisch einige Produkte aufgeführt, in denen die genannten ICs enthalten sind. Um die Darstellung übersichtlich zu halten, sind nur die Basisdaten genannt. Eine umfangreichere Darstellung steht zum Download zur Verfügung.

 

 

 

 

 

Bauteil Hersteller max.
Mikrostep
Nennstrom Spannung I/O Anmerkungen
Produkte
Amis30624 On Semi 0,57A 7-29V I²C int. Motioncontroller
Amis30522 On Semi 1/32 1,5A 6-30V Takt-/Dir,
SPI f. Konfig.
mit Stalldetection
A3959
(=IMT-903)
Allegro Micro beliebig 3,0A 10-50V Takt/Dir Slider SFX,
SMCI33
A3977
A3979
Allegro Micro 1/8 / 1/16 2,5A 8-35V Takt/Dir Tiny-Step II
A3986 Allegro Micro 1/16 >5,0A 12-50V Takt-/Dir HEM-545,
SMCI47-S
LMD18245 National Semi beliebig 3,0A 12-55V Brake/Dir
L293 ST 1,0A 5-36V parallel, incl. Enable
L297 ST Voll/Halb Takt/Dir f. externe H-Brücken
3D-Step
L298 ST 2,0A 8-46V parallel, incl. Enable 3D-Step
L6506 ST beliebig Takt/Dir f. externe H-Brücken
HP-Step.pro
L6201/L6202
L6203
ST 1,5A/4,0A 12-48V parallel, incl. Enable HP-Step.pro
L6208 ST Voll/Halb 2,8A 12-52V Takt/Dir µStep m. ext. DAC
L6219 ST 1/4 0,75A 10-46V Phase/Current µStep m. ext. DAC
PBL3717A ST, Ericsson 1/4 1,0A 10-46V Phase/Current µStep m. ext. DAC
PBL3770A
UC3770A
Ericsson, TI Voll/Halb 1,5A 10-40V Phase/Current
TA8435H
(=IMT-901)
Toshiba 1/8 1,5A 24V Takt/Dir Step3N (Fa. Lewetz)
TB62201
(=IMT-902)
Toshiba 1/16 1,2A 20-34V parallel, incl. Enable
TB6560A Toshiba 1/16 3,0A 5-34V Takt/Dir Imax f. HQFP: 1,5A
TMC236
TMC246
Trinamic 1/16 1,5A 7-34V SPI (12-bit) TMC246 m. Stalldetection
TMC239
TMC249
Trinamic 1/16 >4,0 7-34V SPI (12-bit) TMC249 m. Stalldetection
TMC261
TMC262
Trinamic 1/256 1,2A/>5,0A 9-59V Takt/Dir,
SPI f. Konfig.
lastabhängiger Strom

schrittmotortreiber.pdf

Die Sache mit der Spannung

April 24th, 2011

Eine der häufigsten Fragen, die mir durch Kunden von mechapro in E-Mails gestellt wird, lautet sinngemäß etwa so: „Ich habe einen Schrittmotor mit einer Nennspannung von 2,8V, in der Dokumentation zu Ihrer Schrittmotor-Endstufe ist aber von einem Spannungsbereich von 15-42V die Rede. Kann ich den Motor trotzdem an Ihrer Karte betreiben?“. Die Antwort ist „ja“. Aber warum ist das so, bzw. warum ist die Motornennspannung soviel niedriger als die Versorgungsspannung des Schrittmotor-Treibers?

Die Motornennspannung ergibt sich aus dem Wicklungswiderstand und dem maximal zulässigen Wicklungsstrom durch Anwendung des Ohmschen Gesetzes (R=U/I bzw. U=R*I). Oder anders ausgedrückt: Will man einfach nur Spannung an die Wicklung legen (ohne Stromregelung, PWM o.ä.), darf diese maximal so groß sein wie die Motornennspannung, da sonst der zulässige Wicklungsstrom überschritten werden kann. Diese Betriebsart wird auch als Konstantspannungsbetrieb bezeichnet, da die Spannung konstant gehalten wird. Zur Ansteuerung eines 2-phasigen Schrittmotors werden lediglich 4 Transistoren (unipolarer Motor) bzw. 2 H-Brücken (bipolarer Motor) benötigt. Es handelt sich also um ein sehr einfaches und preiswertes Verfahren. Bedeutender Nachteil sind die Einschränkungen bei der erreichbaren Drehzahl bzw. beim Drehmoment im oberen Drehzahlbereich. Außerdem ist kein Mikroschritt möglich. Das sind auch die Gründe dafür, dass dieses Verfahren heute nur noch bei low-cost Anwendungen eingesetzt wird, bei denen diese Einschränkungen keine Rolle spielen. Die wohl verbreitetste, aber nicht unbedingt bekannteste Anwendung ist der Einsatz von Schrittmotoren in Zeigerinstrumenten, vor allem im Automobil-Sektor.

Tacho Porsche 911

Instrumenteneinsatz Porsche 911(996), Hersteller VDO

Schrittmotor aus Porschetacho

Zeigerinstrument mit Schrittmotor aus Posche 911(996)

Wesentlich verbreiteter ist die sogenannte Konstantstromansteuerung. Hierbei wird durch einen Stromregler dafür gesorgt, dass der Motor unabhängig von der Versorgungsspannung mit höchstens dem eingestellten Wicklungsstrom betrieben wird. Durch den Stromregler kann die Versorgungsspannung deutlich höher gewählt werden als die Motornennspannung. Dies führt zu einem deutlich beschleunigten Stromanstieg und damit letztlich dazu, dass das Drehmoment des Motors erst bei deutlich höheren Drehzahlen bzw. Pulsraten abnimmt.

Simulation Stromanstiegszeit

Simulation der Stromanstiegszeit für einen PK268-E2.0 bei Konstantspannungs- und Konstantstrombetrieb

Das oben gezeigte Simulationsergebnis macht den Vorteil des Konstantstrombetriebes sehr plakativ deutlich. Bei Konstantspannungsbetrieb (U=3,18V) dauert es 8-10ms, bis der Wicklungsstrom annähernd den Nennstrom erreicht hat. Wird der Motor mit einer Pulsrate von 200 Schritten/s (entsprechend einer Umdrehung/s bzw. 5ms Pulsbreite) betrieben, liegt der mittlere Strom in der Wicklung bei nur noch etwas mehr als 1A, so dass das erreichte Moment gegenüber dem Haltemoment mehr als halbiert ist. Im Konstantstrombetrieb ist die Zeit zum Erreichen des Nennstroms je nach verwendeter Spannung hingegen kleiner als eine halbe Millisekunde, so dass erst bei ca. 10-facher Geschwindigkeit das Drehmoment soweit abfällt wie bei Konstantspannungsbetrieb.

Hinweis: Die Schaltzeiten der Transistoren wurden in der Simulation nicht berücksichtigt, da sie gegenüber den betrachteten Effekten klein sind.

Die Bedeutung des Lastwinkels bei Schrittmotoren

April 18th, 2011

Für verschiedene Betrachtungen rund um den Schrittmotor (z.B. Leistungsbilanz, Wirkungsgrad, sensorlose Regelung) ist es wichtig, den Zusammenhang zwischen dem durch die Schrittmotor-Endstufe vorgegebenen Drehfeld und der aktuellen Rotorposition zu kennen. Der folgende Beitrag beschäftigt sich daher mit dem Lastwinkel und den damit verbundenen Konsequenzen für die Anwendung von Schrittmotoren.

Schrittmotoren werden klassischer weise gesteuert betrieben („open loop“),weil hierfür kein Drehgeber benötigt wird und keine Reglerinbetriebnahme erforderlich ist. Oftmals wird dabei davon ausgegangen, dass der Schrittmotor, so lange sein jeweiliges Drehmoment nicht überschritten wird, exakt dem vorgegebenen Drehfeld folgt und seine Rotorpsoition somit genau bekannt ist. Auf den ersten Blick ist diese Annahme auch richtig. Schrittmotoren sind Synchronmaschinen, die dem vorgegebenen Drehfeld ohne Schlupf folgen. Trotzdem gibt es zwischen der Drehung des elektrischen Feldes und der mechanischen Rotordrehung eine Abweichung, die man „Lastwinkel“ δ nennt.

Weiterhin wird oftmals unterstellt, ein Schrittmotor würde immer, wenn seine Wicklungen bestromt sind, ein Drehmoment abgeben. Tatsächlich kann das aber physikalisch garnicht sein, da ein Motormoment ohne entgegenwirkendes Lastmoment eine Beschleunigung des Rotors zur Folge hätte. Deswegen wird begrifflich zwischen Haltemoment und Drehmoment unterschieden. Das Drehmoment ist letztlich das im jeweiligen Betriebspunkt vom Motor erzeugte Moment. Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien geben dabei die Obergrenzen abhängig von verschiedenen technischen Randbedinungen (Beschaltung der Wicklung, Versorgungsspannung, Phasenstrom, ggf.  bei der Messung verwendete Dämpferelemente oder Lastträgheiten) über der Drehzahl an. Das Haltemoment gibt das maximale Moment an, dem der Rotor im Stand genügend Drehmoment entgegensetzen kann, ohne das er aus seiner Position ausrastet. Das folgende Bild veranschaulicht diesen Zusammenhang.

Drehmoment eines Schrittmotors abhängig von der Rotorauslenkung durch externe Belastung.

Ohne Einwirkung durch ein externes Moments befindet sich der Schrittmotor in der Vollschrittposition Null, der Lastwinkel δ ist also ebenfalls Null. Mit steigendem Lastmoment entwickelt der Motor, ähnlich wie eine Feder, ein steigendes Drehmoment. Bei Erreichen des Kippunktes wird der Rotor instabil und springt, da das Drehmoment im weiteren Verlauf abfällt, bis in die nächste stabile Position (+4 Vollschritte). Steht das Lastmoment weiterhin an, verliert der Motor weitere Schritte.

Das bedeutet für die Anwendung von Schrittmotoren:

  • Ohne Last stimmt die Position von Rotor (mechanisches Drehfeld) und elektrischem Feld überein (sofern man Reibungseffekte vernachlässigt).
  • Ein Schrittmotor liefert nur unter Last ein Drehmoment.
  • Ein gesteuert betriebener Schrittmotor ist mit einer Feder vergleichbar. Die „Federrate“ kann über den Wicklungsstrom beeinflusst werden.
  • Es gibt einen lastabhängigen Positionsfehler, der bis zu einem Vollschritt betragen kann.
  • Der Einsatz von Treibern mit Mikroschritt erhöht die Genauigkeit nicht, da sich der Zusammenhang zwischen Moment und Lastwinkel nicht ändert.

Für Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen ist daher zu prüfen, ob der Einsatz von hochauflösenden Motoren (2-Phasen Motoren mit 0,9° Vollschrittwinkel oder 3-Phasen Motoren) oder spielfreien Getrieben sinnvoll ist. Alternativ ist es auch denkbar, den Motor deutlich überzudimensionieren, um eine geringere Auslenkung unter Last zu erreichen.

Unipolar oder Bipolar?

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.