UNTERSCHIEDE ZWISCHEN BIPOLAREN ANTRIEBEN UND UNIPOLAREN ANTRIEBEN FÜR SCHRITTMOTOREN

Die Arbeit an motorisierten Entwicklungsprojekten setzt bestimmte Grundkenntnisse zu Motoren und Steuerungen voraus. Thema dieses Artikels sind Schrittmotoren: bürstenlose Gleichstrommotoren mit einer großen Anzahl von Polen. Angetrieben wird diese Technologie im Allgemeinen durch einen offenen Regelkreis ohne Rückkopplungssensor, sodass der Strom üblicherweise unabhängig von der Rotorstellung auf die Phasen angewendet wird. Der Rotor richtet sich nach dem Magnetfluss des Stators aus und der Strom kann zur nächsten Phase fließen.

In diesem White Paper betrachten wir zwei verschiedene Prinzipien zur Stromversorgung von Spulen: das bipolare und das unipolare Prinzip. Wir erläutern die Unterschiede zwischen bipolaren sowie unipolaren Motoren und Antriebsmethoden und zeigen die Vorteile und Grenzen beider Technologien auf.

Nehmen wir als Beispiel einen vierstufigen Permanentmagnet-Schrittmotor (siehe Abbildung 1). Der Rotor besteht aus einem einpoligen Paarmagnet, der Stator aus zwei Phasen: Phase A und Phase B.

• Unipolarer Modus: Der Strom fließt immer in die gleiche Richtung. Jede Spule ist einer Stromrichtung zugeordnet, sodass immer entweder die Spule A+ oder die Spule A- mit Strom versorgt wird. Die Spulen A+ und A- werden niemals gleichzeitig mit Strom versorgt.
• Bipolarer Modus: Der Strom kann in allen Spulen in beide Richtungen fließen. Die Phasen A+ und A- werden gleichzeitig mit Strom versorgt.

Ein bipolarer Motor benötigt mindestens eine Spule pro Phase, ein unipolarer Motor mindestens zwei Spulen pro Phase. Schauen wir uns beide Optionen im Detail an.

MOTORAUFBAU

UNIPOLAR

In der unipolaren Ausführung besteht jede Motorphase aus zwei Spulenwicklungen. Ein Zweiphasenmotor mit den Phasen A und B hat also vier Spulenwicklungen (siehe Abbildung 2).

• Phase A besteht aus A+ und A-.
• Phase B besteht aus B+ und B-

Der Strom kann jede Spule nur in eine einzige Richtung durchfließen. Daher die Bezeichnung „unipolar“.

Bei einem Spannungsantrieb ist das Ansteuerungssystem sehr einfach aufgebaut, da es pro Spule nur einen einzigen Transistor (Schalter) gibt. Sobald der Transistor geschlossen ist, wird die Spule mit Strom versorgt. Zum Kommutieren werden die Transistoren abwechselnd geschlossen und geöffnet.

Die Transistoren Q1 und Q2 können nicht gleichzeitig geschlossen sein. Um Phase A mit Strom zu versorgen, wird abhängig von der gewünschten Stromrichtung entweder Transistor Q1 oder Transistor Q2 geschlossen (siehe Abbildung 3).

Bei der unipolaren Ansteuerung wird jeweils nur eine Hälfte der Phase mit Strom versorgt, sodass der Strom nur die Hälfte des Kupfervolumens belegt. In der Regel kommen bei Spannungsantrieben serielle Widerstände zum Einsatz, um die elektrische Zeitkonstante zu verkürzen (weitere Details siehe unten).

BIPOLAR

Bipolare Motoren benötigen nur eine einzige Spulenwicklung pro Phase. Sie heißen bipolar, weil der Strom jede Spule jeweils in beide Richtungen durchfließen kann. Zur Ansteuerung werden acht Transistoren mit zwei H-Brücken benötigt (siehe Abbildung 4).

Zum Kommutieren werden die Transistoren abwechselnd geschlossen und geöffnet (siehe Abbildung 5 unten).

Der Vorteil eines bipolaren Antriebs: Jede Phase verwendet jeweils das gesamte verfügbare Kupfervolumen.

Bipolare Antriebe werden entweder mit einem Spannungsantrieb oder einer Stromquelle eingesetzt. Beim Einsatz mit einer Stromquelle wird der Strom in den einzelnen Phasen normalerweise per Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert.

VORTEILE UND GRENZEN

SPANNUNGSANTRIEB

Die Ansteuerung unipolarer Motoren mit einem Spannungsantrieb lässt sich sehr einfach realisieren, da eine simple elektronische Konfiguration mit vier Transistoren ausreicht. Eine solche Lösung ist sehr kostengünstig und war daher vor vielen Jahren bei Ingenieuren beliebt, als elektronische Komponenten noch teurer waren als heute.

Auch bipolare Motoren können mit einem Spannungsantrieb betrieben werden; dazu werden zwei H-Brücken benötigt.

STROMANTRIEB

Wird ein Stromantrieb verwendet, empfehlen wir für den Motor einen bipolaren Modus. Im unipolaren Modus wäre für einen Stromantrieb eine komplexere elektronische Lösung erforderlich und die Motorleistung würde im Vergleich zu einem bipolaren Treiber geringer ausfallen.

WICHTIG BEI SPANNUNGSANTRIEBEN

Aufgrund des Induktivitätseffekts dauert die Stromzunahme in der Spule eine gewisse Zeit. Die elektrische Zeitkonstante (L ÷ R) kann sowohl bei unipolaren als auch bei bipolaren Lösungen mithilfe eines seriellen Widerstands verkürzt werden.

Durch Hinzufügen eines externen Widerstands nimmt der Strom ab (i = U ÷ (R + r)). Zusammenfassend wird bei identischem Versorgungsstrom mit einem zusätzlichen Widerstand Folgendes erzielt:

• Niedrigeres Drehmoment bei niedriger Drehzahl: Aufgrund der im externen Widerstand abgeleiteten Energie ist die Stromstärke niedriger. Da das Drehmoment proportional zum Strom ist, liefert der Motor ein niedrigeres Drehmoment.
• Höheres Drehmoment bei hoher Drehzahl: Auch bei Ableitung eines gewissen Teils der Energie im externen Widerstand kann der Motor ein höheres Drehmoment liefern, weil die Stromstärke in der Spule durch die kürzere elektrische Zeitkonstante schneller zunehmen kann.

Hinweis: Durch eine Erhöhung der Versorgungsspannung lässt sich zwar die niedrigere Stromstärke kompensieren, gleichzeitig sinkt jedoch auch der Gesamtwirkungsgrad. Das Drehmoment erhöht sich bei hoher Drehzahl und bleibt bei niedriger Drehzahl konstant.

HALTEMOMENT

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

Ein höheres Drehmoment lässt sich durch mehr Spulenwicklungen oder eine Erhöhung des Stromflusses erzielen.

Bei einer Erhöhung des Stroms entsteht durch die Ableitung von Energie zusätzliche Wärme (P-_Joule = R × i²). Die Stromversorgung ist durch die Wärmekapazität der Spule begrenzt. Im Allgemeinen kann die Spulentemperatur den maximal zulässigen Wert erreichen, also je nach Motortyp in der Regel 100 °C oder 130 °C

Schauen wir uns jetzt die Energieverluste in beiden Kombinationen an (siehe Abbildung 6), unter der Annahme, dass eine der Phasen auf EIN steht:

Wenn jede Spule einen eigenen Widerstand, eine eigene Induktivität und eine eigene Drehmomentkonstante hat und die Energieverluste in beiden Fällen gleich sind, also (P_{joule uni} = P_{joule uni} = P₀),

ergibt sich Folgendes:

Bei gleichen ableitungsbedingten Energieverlusten kann der bipolare Motor √2 (≈ 40 %) mehr Drehmoment erzeugen als der unipolare Antrieb.

Bei gleicher elektrischer Leistung liefert ein bipolarer Antrieb also bessere Ergebnisse als ein unipolarer Antrieb.

DYNAMISCHER MODUS

Wie wir oben gezeigt haben, kann im bipolaren Modus bei gleicher Verlustleistung 40 % mehr Drehmoment erzeugt werden. Andererseits liefert ein unipolarer Motor mit Spannungsantrieb bei hoher Drehzahl ein höheres Drehmoment als ein bipolarer Motor, da der Strom in der Spule schneller fließen kann. Das Beispiel unten illustriert das Prinzip (siehe Abbildung 7).

KABEL/MOTORANSCHLUSS

Ein bipolarer Motor hat im Allgemeinen vier Kabel. Ein unipolarer Motor hat sechs Kabel oder acht Kabel, wenn kein Mittelabgriff vorhanden ist (siehe Abbildung 8)

GEHÄUSE MIT 8 KABELN

Wenn ein unipolarer Motor acht Kabel hat, kann er durch Verbinden der Halbphasen in einen bipolaren Motor umgerüstet werden.

Bei bipolaren Motoren mit acht Kabeln können die Spulen seriell oder parallel geschaltet werden. Beide Optionen haben bei gleicher elektrischer Leistung die gleiche Motorregelung (R ÷ k ^ 2) und die gleichen Drehmomentleistungen (siehe Abbildung 9).

Eine serielle Baugruppe hat einen viermal höheren Widerstand als eine parallele Baugruppe.

Eine Parallelschaltung benötigt den doppelten Strom und die halbe Spannung einer Reihenschaltung.

Sowohl serielle als auch parallele Schaltungen passen sich der Stromversorgung an.

ZUSAMMENFASSUNG

Sowohl unipolare als auch bipolare Baugruppen haben Vorteile (siehe Abbildung 10)

Die unipolare Ansteuerung wurde in der Vergangenheit häufig verwendet. Aufgrund der Kostensenkungen im Elektronikbereich geht der Trend heute hin zur bipolaren Ansteuerung mittels Stromantrieb. Bei Spannungsantrieben ist die unipolare Ansteuerung allerdings immer noch eine kosteneffiziente Option.

INGENIEUR KONTAKTIEREN