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Mar 29, 2023

Bipolare und unipolare Antriebe für Schrittmotoren: Ein Vergleich

Ein Schrittmotor ist eine Art bürstenloser Gleichstrommotor, der aus verbundenen Spulen besteht, die „Phasen“ genannt werden. Diese elektromechanischen Geräte werden im Allgemeinen im offenen Regelkreis ohne Rückkopplungssensor betrieben, wobei den Phasen Strom zugeführt wird, ohne dass die Rotorposition bekannt ist. Die Ausrichtung des Rotors erfolgt durch den magnetischen Fluss des Stators, der durch den in den Phasen fließenden Strom erzeugt wird. Bei jedem Impuls kann der Strom der nächsten Phase zugeführt werden, was inkrementelle Drehbewegungen oder Schritte ermöglicht.

Es gibt zwei Methoden, um die Spulen mit Strom zu versorgen: bipolar und unipolar. In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen bipolaren und unipolaren Motoren, ihre Antriebsmethoden sowie Vorteile und Einschränkungen erläutert.

Abbildung 1 zeigt einen vierstufigen Permanentmagnet-Schrittmotor. Der Rotor besteht aus einem Magneten mit einem Polpaar und der Stator besteht aus zwei Phasen: Phase A und Phase B. Bei der unipolaren Methode fließt der Strom immer in die gleiche Richtung. Jede Spule ist einer Stromrichtung zugeordnet, sodass entweder Spule A+ oder A- mit Strom versorgt wird. Die A+- oder A--Spulen werden niemals gemeinsam mit Strom versorgt. Beim bipolaren Verfahren kann der Strom in allen Spulen in beide Richtungen fließen. Die Phasen A+ und A- werden gemeinsam mit Strom versorgt. Ein bipolarer Motor benötigt mindestens eine Spule pro Phase und ein unipolarer Motor benötigt mindestens zwei Spulen pro Phase. Hier ist ein detaillierter Blick auf beide Optionen:

Bei der unipolaren Konfiguration besteht jede Motorphase aus zwei Spulenwicklungen. Bei einem Zweiphasenmotor bestehend aus den Phasen A und B verfügt der Motor über vier Spulenwicklungen, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Phase A besteht aus A+, A-

Phase B besteht aus B+, B-

Der Strom in jeder Spule kann nur in eine Richtung fließen, wodurch sie unipolar ist. Beim Spannungsantrieb ist das Steuerungssystem einfach und erfordert nur einen Schalter oder Transistor pro Spule. Wenn der Transistor geschlossen ist, wird die Spule mit Strom versorgt. Zur Kommutierung des Motors werden die Transistoren abwechselnd geschlossen und geöffnet.

In Abbildung 3 können die Transistoren Q1 und Q2 nicht gleichzeitig geschlossen werden. Um Phase A mit Strom zu versorgen, müssen Sie entweder den Transistor Q1 oder Q2 schließen, je nachdem, in welche Richtung der Strom arbeiten soll. Bei der unipolaren Steuerung wird jeweils nur die Hälfte der Phase mit Strom versorgt, sodass der Strom nur die Hälfte des Kupfervolumens verbraucht. Bei Spannungsantrieben werden typischerweise Reihenwiderstände eingesetzt, um die elektrische Zeitkonstante zu verringern. Dieses Szenario wird später in diesem Artikel erläutert.

Bipolare Motoren benötigen nur eine Spulenwicklung pro Phase und der Strom kann pro Spule in beide Richtungen fließen. Zur Steuerung bipolarer Motoren sind acht Transistoren mit zwei H-Brücken erforderlich, wie in Abbildung 4 dargestellt.

In Abbildung 5 werden die Transistoren abwechselnd geschlossen und geöffnet, um eine Kommutierung zu ermöglichen. Bipolare Antriebe haben den Vorteil, dass das gesamte Kupfer pro Phase genutzt wird. Diese bipolaren Antriebe werden entweder im Spannungsantrieb des Motors oder in der Stromquelle eingesetzt. Bei der Stromquelle wird der Strom in jeder Phase mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert. Für die PWM werden zwei Techniken verwendet: langsamer Abfall oder schneller Abfall, je nachdem, ob der Strom während der „Aus“-Zeit der PWM durch die Motorphase langsam oder schnell abnehmen soll.

Spannungsantrieb. Eine einfache Schaltung mit vier Transistoren ermöglicht eine kostengünstige unipolare Steuerung. Ein Spannungsantrieb für bipolare Motoren erfordert zwei H-Brücken (acht Transistoren).

Aktuelles Laufwerk. Für aktuelle Antriebe ist ein bipolarer Modus vorzuziehen, da die unipolare Technologie eine komplexere Elektronik erfordert, um eine geringere Motorleistung zu erzielen.

Vorsichtsmaßnahme beim Spannungsantrieb. Aufgrund des Induktivitätseffekts benötigt der Strom in der Spule einige Zeit, um anzusteigen. Bei unipolaren oder bipolaren Antrieben können Sie einen Reihenwiderstand hinzufügen, um die elektrische Zeitkonstante (L/R) zu verringern. Durch Hinzufügen eines externen Widerstands verringert sich der Strom (i = U/(R+r)).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Hinzufügen eines Widerstands bei gleicher zugeführter Leistung zu einem geringeren Drehmoment bei niedriger Drehzahl führt. Der Strom ist aufgrund der im externen Widerstand verlorenen Joule-Leistung geringer. Da das Drehmoment proportional zum Strom ist, liefert der Motor weniger Drehmoment. Bei hoher Drehzahl ergibt sich ein höheres Drehmoment. Selbst wenn etwas Joule-Leistung im externen Widerstand verloren geht, kann der Motor dank der geringeren elektrischen Zeitkonstante mehr Drehmoment liefern. Dadurch kann der Strom in der Spule schneller ansteigen. (Hinweis: Mit einer Erhöhung der Versorgungsspannung können Sie den geringeren Strom ausgleichen; die Gesamtenergieeffizienz wird jedoch geringer sein. Das Drehmoment wird bei hoher Drehzahl verbessert und bei niedriger Drehzahl aufrechterhalten.)

Das Haltemoment ist das maximale Drehmoment, das der Motor halten kann. Das Haltemoment ist proportional zur Drehmomentkonstante und zum Strom in der Phase.

T hält max = k * i

Wo

Tholding max ist das Haltemoment (Nm)

k ist die Drehmomentkonstante (Nm/A)

i ist der Strom in der Phase (A)

Ein höheres Drehmoment kann durch eine Erhöhung der Anzahl der Spulenwindungen oder durch eine Erhöhung des Stromflusses erzeugt werden. Eine Erhöhung des Stroms verursachte aufgrund der Joule-Verlustdissipation zusätzliche Wärme (P Joule = R * i 2). Die Stromzufuhr wird durch die thermische Belastbarkeit der Spule begrenzt. Die Spulentemperatur kann im Allgemeinen die maximal zulässige Temperatur der Spule erreichen – typischerweise 100 °C oder 150 °C, abhängig vom Motortyp.

Schauen wir uns die Joule-Verluste in beiden Kombinationen an (Abbildung 6 unten) und betrachten dabei eine Phase im EIN-Zustand:

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass jede einzelne Spule ihren eigenen Widerstand, ihre eigene Induktivität und ihre eigene Drehmomentkonstante hat und wenn die Joule-Verluste in beiden Fällen gleich sind, P Joule bi = P Joule uni = P 0 , erhalten wir:

Bei gleichen Verlusten an Joule kann der bipolare Motor √2 (≈40 %) mehr Drehmoment erzeugen als der unipolare Antrieb. Und bei gleicher elektrischer Leistung erzielt der bipolare Antrieb bessere Ergebnisse als der unipolare Antrieb.

Die vorangegangene Demonstration zeigt, dass der bipolare Motor bei gleicher Verlustleistung 40 % mehr Drehmoment liefern kann. Allerdings kann der unipolare Motor bei hoher Drehzahl im Spannungsantrieb ein höheres Drehmoment liefern als der bipolare Motor, da der Strom in der Spule schneller fließen kann. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel.

Ein bipolarer Motor hat im Allgemeinen vier Drähte, während ein unipolarer Motor acht Drähte hat, wenn der Mittelpunkt nicht angeschlossen ist (Abbildung 8).

Verfügt der unipolare Motor über acht Leitungen, kann er durch die Verbindung der Halbphasen in eine bipolare Variante umgewandelt werden. Die Spulen können in Reihe oder parallel geschaltet werden. Beide Optionen verfügen über die gleiche Motorregelung (R/k2) und die gleichen Drehmomentleistungen bei gleicher elektrischer Leistung.

Eine serielle Anordnung hat einen viermal höheren Widerstand als eine parallele Anordnung. Eine Reihenschaltung benötigt den doppelten Strom und die halbe Spannung einer Parallelschaltung. Eine serielle oder parallele Verbindung passt zur Stromversorgung.

Die Tabelle in Abbildung 10 zeigt die Vorteile unipolarer und bipolarer Baugruppen. In der Vergangenheit war die unipolare Steuerung beliebt, aber dank der Kostenverbesserungen hat sich die bipolare Steuerung bei aktuellen Antrieben immer weiter durchgesetzt. Für den Spannungsantrieb ist die unipolare Steuerung immer noch eine kostengünstige Option.

Dieser Artikel wurde von Clemence Muron, Anwendungsingenieur bei Portescap, West Chester, PA, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Augustausgabe 2021 des Motion Design Magazine.

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