Unipolar oder Bipolar?

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.

 

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20 Responses to “Unipolar oder Bipolar?”

  1. […] 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 […]

  2. Pierre Schellner sagt:

    Sehr gute und verständliche Erklärung!

    Vielen Dank dafür.

  3. Hallo,
    vielen Dank für diese sehr gute Erklärung zu einem Bipolaren und Unipolaren Schrittmotor. Wie ich jetzt verstanden habe kann man einen Unipolaren Motor mit einem Bipolaren Treiber ansteuern. Wie ist es umgekehrt. Ich habe einen Unipolaren Treiber und möchte ein Bipolar-Schrittmotor damit ansteuern. Gibt es für diesen Fall einen Wandler, den man – so ähnlich wie einen Schnitstellenwandler – zwischenschalten kann, um die Signale von Unipolar nach Bipolar zu konvertieren? Ich habe schon im Internet gesucht, aber nichts gefunden.

    Mit freundlichem Gruß
    Michael Ackermann

    • Hallo Herr Ackermann!

      So ein Wandler wäre technisch sehr aufwändig und damit vermutlich deutlich teurer als ein neuer Schrittmotor und/oder eine passende Steuerung. Bipolare Schrittmotoren mit 8 Litzen, bei denen beide Wicklungen in zwei Teile getrennt sind, kann man auch unipolar Beschalten, in dem man die Mittelabgriffe zusammenfasst. Bei Motoren mit nur 4 Anschlüssen geht das natürlich nicht.

      Mit freundlichen Grüßen
      Thorsten Ostermann

  4. Carsten sagt:

    Vielen Dank für die tolle und vor allem deutsche Erläuterung.

    Mit freundlichen Grüßen
    Carsten

  5. T77B sagt:

    Sehr gut, vielen Dank ! Ich habe nun den unterschied verstanden und muss mich nicht durch unverständliche Anleitungen usw. kämpfen

  6. Anton sagt:

    Das Bild erklärt fast alles. Gut gemacht.
    Vielleicht die Spulen noch Blau und Rot zu malen 😉

    • Das Bild stammt, wie angegeben, von Wikipedia. Ich nehme gerne ein besseres, wenn mir jemand ein passendes Bild mit den entsprechenden Rechten zur Verfügung stellen möchte.

      Mit freundlichen Grüßen
      Thorsten Ostermann

  7. califax sagt:

    Ich betreibe Motoren mit 8 Litzen, die aber dann zu 4 parrweise Litzen zusammen geführt werden. Kann ich davon ausgehen, das diese dann Biolar laufen?

    Gruß califax

  8. Fabian sagt:

    Servus,
    Habe
    Habe bei Pollin einen Schrittmotor gekauft welcher mit 6V und 0,8A beschrieben wird. Der Motor hat 6 Litzen kann Uni bzw bipolar angesteuert werden.

    Ich betreibe ihn aktuell über eine L298 Motorbrücke bipolar.

    Wie sieht es mit dem max. zulässigem Dauerstrom aus?

    […] muss der Strom um den Faktor 1/Wurzel(2)=0,707 reduziert werden.

    Wie hoch währe dann der zulässige Dauerstrom je Phase und Gesamt?

    Würde den Motor gerne mit max. Kraft und Strombegrenzer betreiben mit neuer Brücke.

    Wie hoch währe der einzustellende Wert, bei bi sind beider Spulen bestromt heißt dann Phase x 2?

    Hoffe sie können mich aufklären, an diesem konkretem Beispiel

    mfG Fabian Eckert

    • Die 0,8A beziehen sich auf den unipolaren Betrieb. Bipolar sind es dann 0,57A, jeweils pro Phase. Einen Gesamtstrom gibt man bei Schrittmotoren nicht an. Auch wenn beide Phasen bestrom sind sind es 0,57A pro Phase.

      Man kann in den Halbschrittpositionen, also wenn nur eine Phase bestrom ist, wieder um den Faktor Wurzel(2) hoch gehen. Also in diesem Fall auf 0,8A. Aber das muss von jedem Halbschritt zum Vollschritt wieder umgeschaltet werden. Meine 3D-Step macht das automatisch.

      Mit freundlichen Grüßen
      Thorsten Ostermann

  9. Claas sagt:

    Moin moin. aus meiner Fräse habe ich ein Unipolaren Schrittmotor mit 6 L Leitungen, 3,7V und 1,2A ausgebaut. Er wird bipolar angesteuert ist aber merkwürdig verdrahtet:
    A
    com
    A/
    B
    com
    B/
    Es ist A mit com und B mit com angeschloßen. A/ und B/ sind nicht verdrahtet. So kann ich die vollen 1,2A auf eine Spulenhälfte geben, aber habe ich dadurch nicht verluste wenn ich die anderen hälften der spule nicht mit anschließe?

    • Hallo Claas,

      der Motor hat bei dieser Beschaltung etwas weniger Drehmoment, wie im unipolaren Betrieb. Der Faktor ist 1/Wurzel(2), also ca. 0,707. Der Vorteil dieser Beschaltung liegt in der niedrigeren Induktiviät gegenüber der bipolar seriellen Variante, bei welcher die gesamte Wicklung genutzt wird. Dadurch erreicht der Motor im oberen Drehzahlbereich mehr Drehmoment.

  10. Gerrit Wolters sagt:

    Hallo Herr Ostermann,
    vielen Dank für Ihre tolle Seite!
    Meine Motörchen laufen wie sie sollen, aber:
    Bei allen mir bekannten Erklärungen in der Literatur zur Beschaltung und Ansteuerung der Spulen und der Anzahl der Pole im Rotor bleibt mir unklar, welche Spulen jeweils genau angesteuert werden und wie sie mit welchen Polen jeweils wechselwirken.
    Es wird da oft – sinnvollerweise – didaktisch reduziert. Ich suche nach einem vollständigen Beispiel, in dem alle realen Spulen und alle Magnetpole vorkommen. Am tollsten natürlich im Bild Schritt für Schritt. Gibt es da was?

    Lieben Gruß

    Gerrit Wolters

    • Hallo Gerrit,

      eine solche Darstellung ist mir nicht bekannt. Die Funktion ist ja auch durch die Darstellung einer elektrischen Umdrehung (4 Vollschritte) hinreichend beschrieben. Alles was danach kommt, ist im Prinzip nur eine Wiederholung des Vorgangs.

      In der Praxis sind im Motor tatsächlich nur 2 Spulen bzw. 4 Spulenpaare vorhanden. Die hohe Auflösung wird über die Verzahnung von Rotor und Stator erreicht, wie man in diesem Bild gut sehen kann:
      Innerer Aufbau eines 2-phasigen Schrittmotors.

      Die gängigen Schrittmotoren mit 1,8° Vollschrittwinkel haben 50 Polpaare, dementsprechend finden sich 50 Zähne am Rotor.

      Mit freundlichen Grüßen
      Thorsten Ostermann

  11. Gerrit Wolters sagt:

    Hallo Thorsten,
    vielen Dank für die schnelle und ausführliche Antwort!

    Mir bleibt unklar,
    – wie werden ,bei mehr als zwei Spulen, die Spulen bestromt?
    – werden tatsächlich zwei nebeneinander liegende Spule gleich versorgt,
    oder wird das Muster der Rotorpolung irgendwie aufgenommen?
    – wird ,wie in vielen Darstellungen, der Nord- und Südpol der Spule genutzt?

    Ich glaube, da bleibt wohl nur aufmachen und messen, oder?

    Mit freundlichen Grüßen

    Gerrit Wolters

    • Hallo Gerrit,

      Die Spulenpaare werden meist vom Hersteller direkt im Motor verschaltet. Ausnahmen sind Motoren mit 8 Anschlüssen, bei denen der Anwender die Wahl hat, wie er die Spulen schalten will (seriell oder parallel, siehe Blog-Beitrag „Parallel oder seriell„).
      Deine anderen Fragen sind mir unklar. Natürlich müssen beide magnetischen Pole der Spule genutzt werden, sonst wäre der magnetische Kreis ja nicht geschlossen. Im Fall des geöffneten PK268 ist es tatsächlich so, dass die beiden Teilspulen jeweils benachbart sind. Am Wickelkopf findet man also die Anschlüsse A1, A2, /A1, /A2, B1, B2, /B1, /B2 (mit A1, A2 Teilspulen A; B1, B2 Teilspulen B).

      Mit freundlichen Grüßen
      Thorsten Ostermann

  12. thomas merz sagt:

    ich trage seit okt. 2010 einen SM

    seit april 2015 erhöte RV-Impedanz bipolar
    unipolar regelrechte funktion

    können Sie mir das bitte genauer erklären?

    lg. , thomas

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