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.

Lesen Sie mehr portescap.com