Unipolare oder bipolare Schrittmotoren

Ein unipolarer Schrittmotor teilt jede Wicklung mithilfe eines Mittelabgriffs in zwei Halbspulen auf, sodass der Strom pro Halbspule nur in eine Richtung fließen kann. Ein bipolarer Schrittmotor nutzt die gesamte Wicklung in jeder Phase und kehrt die Stromrichtung um, um die magnetische Polarität zu ändern. Dieser einzige Konstruktionsunterschied bestimmt alles, was folgt: die Komplexität des Antriebs, die Drehmomentabgabe, die Verkabelung und die Anwendungen, für die jeder Typ am besten geeignet ist.

In diesem Artikel wird erklärt, wie sich unipolare und bipolare Schrittmotoren in Konstruktion und Betrieb unterscheiden, ihre praktischen Stärken und Schwächen verglichen und Hinweise zur Auswahl zwischen ihnen gegeben.

Inhalt:

• Wie wird ein bipolarer Schrittmotor verkabelt
• Wie wird ein unipolarer Schrittmotor verkabelt
• Vergleich des Drehmoments
• Komplexität des Fahrers
• Verkabelungs- und Kabelkonfigurationen
• Umwandlung eines unipolaren Motors in einen bipolaren
• Wann sollte jeder Typ ausgewählt werden
• Zusammenfassung
• Häufig gestellte Fragen

So wird ein bipolarer Schrittmotor verkabelt

Ein bipolarer Schrittmotor hat den einfacheren internen Aufbau der beiden. Jede Phase besteht aus einer einzelnen, ungeteilten Magnetspule. Der Motor hat in der Regel vier Leitungen, d. h. zwei pro Phase, ohne Mittelabgriff.

Um die magnetische Polarität einer Phase umzukehren, kehrt der Treiber die Stromrichtung um, die durch die Spule fließt. Dazu ist für jede Phase eine H-Brückenschaltung erforderlich: eine Schaltanordnung, die Strom in beide Richtungen durch die Wicklung leiten kann. Da die gesamte Länge jeder Spule jedes Mal, wenn eine Phase aktiv ist, mit Strom versorgt wird, erzeugen bipolare Motoren pro Phase stärkere Magnetfelder als ihre unipolaren Äquivalente.

So wird ein unipolarer Schrittmotor verkabelt

Ein unipolarer Schrittmotor fügt jeder Wicklung einen Mittelabgriff hinzu, wodurch eine Spule effektiv in zwei kleinere Halbspulen aufgeteilt wird, die unabhängig voneinander betrieben werden können. Der mittlere Abgriff ist wieder mit der Stromquelle verbunden, sodass der Motor fünf, sechs oder acht Leitungen hat, je nachdem, ob die Abzweigungen und die Spulenenden getrennt herausgeführt werden.

Durch Umschalten des Stroms durch die eine oder andere Halbspule kann der Treiber die effektive magnetische Polarität der Phase ändern, ohne jemals die Stromrichtung umzukehren. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer H-Brückenschaltung vollständig. Ein einfacher Transistor oder MOSFET pro Halbspule reicht aus, um den Motor anzutreiben.

Da jedoch immer nur eine Hälfte jeder Wicklung aktiv ist, halbiert sich die effektive Spulenfläche, die das Magnetfeld erzeugt. Dies ist der grundlegende Kompromiss, der dem unipolaren Design zugrunde liegt.

Vergleich des Drehmoments

Bipolarmotoren erzeugen bei gleicher Rahmengröße mehr Drehmoment. Zwei Faktoren sorgen für diesen Vorteil.

Erstens wird die gesamte Wicklung bei jedem Schritt mit Strom versorgt. Ein bipolarer NEMA 17-Motor verwendet 100% seines Spulenkupfers, um das Magnetfeld zu erzeugen, während ein gleichwertiger unipolarer NEMA 17-Motor zu jedem Zeitpunkt etwa 50% verbraucht. Mehr aktives Kupfer bedeutet eine stärkere elektromagnetische Anziehungskraft auf die Rotorzähne.

Zweitens ermöglicht die H-Brückenansteuerung, dass beide Phasen gleichzeitig mit voller Feldstärke betrieben werden. In Kombination mit der Fähigkeit, die Polarität dynamisch umzukehren, verleiht dies bipolaren Motoren ein deutlich höheres Haltemoment und eine bessere Drehmomenthaltung bei höheren Drehzahlen.

Für Anwendungen, bei denen die Maximierung des Drehmoments innerhalb eines bestimmten Motorraums im Vordergrund steht — CNC-Fräsen, 3D-Drucker-Extruder, Robotergelenke — ist Bipolar die bessere Wahl.

Komplexität des Fahrers

Unipolare Motoren überzeugen durch Einfachheit. Da Strom nur in einer Richtung durch jede Halbspule fließt, benötigt die Treiberschaltung nichts weiter als einen Schalttransistor pro Wicklung. Dadurch sind unipolare Treiber kostengünstiger herzustellen, einfacher zu debuggen und weniger anfällig für Durchschlagsfehler (ein Ausfallmodus bei H-Brückenschaltungen, bei dem beide Schalter in einem Bein gleichzeitig leiten und einen Kurzschluss verursachen).

Bipolare Motoren benötigen eine eigene H-Brücke pro Phase. Integrierte H-Brücken-Treiber-ICs sind zwar preiswert und weit verbreitet, sodass dies weniger ein Hindernis darstellt als noch vor einem Jahrzehnt, obwohl die Schaltung von Natur aus komplexer ist. Für den Prototypenbau, die Ausbildung oder Projekte, bei denen die Einfachheit des Antriebs wichtiger ist als das Spitzendrehmoment, sind unipolare Motoren nach wie vor eine praktische Wahl.

Verkabelungs- und Leitungskonfigurationen

Die Anzahl der Kabel, die aus einem Schrittmotor herauskommen, gibt Aufschluss darüber, welche Konfigurationen er unterstützt.

• Motoren mit vier Leitungen sind nur bipolar. Zwei Leitungen pro Phase, kein Mittelanschluss, keine Option für den Betrieb im unipolaren Modus.
• Motoren mit fünf Anschlüssen sind nur unipolar, wobei die beiden Mittelabgriffe intern mit einem einzigen gemeinsamen Kabel verbunden sind. Dies reduziert die Anzahl der Leitungen, verhindert jedoch eine bipolare Umwandlung.
• Bei Motoren mit sechs Leitungen lassen sich beide Enden der einzelnen Spulen sowie separate Abzweigungen in der Mitte herausführen. Dies ist die vielseitigste Konfiguration: Schließen Sie die mittleren Abgänge an die Stromversorgung an, und Sie haben einen unipolaren Motor; lassen Sie sie getrennt und verbinden Sie die gesamten Spulen mit einem H-Brückentreiber, und schon haben Sie einen bipolaren Motor. Motoren mit sechs Leitungen geben Ingenieuren die Flexibilität, beide Konfigurationen auf derselben Hardware zu testen.
• Motoren mit acht Leitungen führen jedes Spulenende unabhängig voneinander heraus und bieten so die meisten Verdrahtungsmöglichkeiten. Sie können unipolar (mit externen Anschlüssen in der Mitte), seriell bipolar (höhere Induktivität, besseres Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen) oder parallel bipolar (niedrigere Induktivität, bessere Leistung bei hohen Geschwindigkeiten) konfiguriert werden.

Umwandlung eines unipolaren Motors in einen bipolaren

Jeder unipolare Motor mit zugänglichen Mittelabgriffen kann als bipolarer Motor betrieben werden, indem einfach die Leitungen der mittleren Abzweigung abgezogen werden und die gesamten Wicklungen über eine H-Brücke angetrieben werden. Dabei handelt es sich um ein übliches Verfahren zur Aufrüstung: Ingenieure verwenden der Einfachheit halber den Prototyp mit einem unipolaren Antrieb und schalten dann auf bipolaren Antrieb um, wenn sie vom gleichen Motor mehr Drehmoment benötigen.

Das Gegenteil ist nicht der Fall. Ein bipolarer Motor mit vier Leitungen kann nicht auf unipolaren Betrieb umgestellt werden, da er keinen Mittelabgriff hat, durch den die Wicklungen getrennt werden könnten.

Wann sollte jeder Typ ausgewählt werden

Wählen Sie bipolar, wenn:

• Das maximale Drehmoment ab einer bestimmten Rahmengröße hat Priorität
• Die Anwendung verwendet einen modernen Microstepping-Treiber (die meisten handelsüblichen Treiber sind bipolar-kompatibel)
• Aufgrund von Platz- oder Gewichtsbeschränkungen ist eine Umstellung auf eine größere NEMA-Größe nicht möglich

Wählen Sie unipolar, wenn:

• Die Einfachheit des Fahrers und die geringe Anzahl an Komponenten sind wichtiger als das Spitzendrehmoment
• Es handelt sich um ein Lehrprojekt oder um einen schnellen Prototyp, bei dem eine einfache Verkabelung die Iteration beschleunigt
• Ältere Geräte oder vorhandene Treiberplatinen unterstützen nur den unipolaren Betrieb

In der Praxis hat sich die Branche stark in Richtung bipolarer Konfigurationen verlagert. Integrierte Treiber-ICs wie der A4988, DRV8825 und TMC2209 haben das bipolare Fahren aus Sicht der Verkabelung fast so einfach wie unipolar gemacht und bieten gleichzeitig ein wesentlich besseres Drehmoment und einen wesentlich besseren Wirkungsgrad. Die meisten modernen 3D-Drucker, CNC-Maschinen und Roboterplattformen verwenden standardmäßig bipolare Motoren.

Accu liefert Schrittmotoren der NEMA 17- und NEMA 23-Klassifizierungen in unipolaren und bipolaren Konfigurationen sowie Schrittmotortreiber mit Nennwerten von 0,3 A bis 2,0 A. Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Konfiguration für Ihre Anwendung geeignet ist, kann Ihnen das technische Support-Team von Accu helfen, Motor und Treiber an Ihre Anforderungen in Bezug auf Drehmoment, Drehzahl und Montage anzupassen.

Zusammenfassung

Die Wahl zwischen unipolar und bipolar ist auf einen einfachen Kompromiss zurückzuführen: Drehmoment versus Einfachheit des Fahrers. Bipolarmotoren liefern bei gleicher Baugröße mehr Drehmoment, da sie bei jedem Schritt die volle Wicklung mit Strom versorgen. Unipolare Motoren opfern dieses Drehmoment zugunsten einer einfacheren Antriebsschaltung. Da moderne integrierte Treiber-ICs die Komplexitätslücke schließen, ist Bipolar für die meisten Präzisionsanwendungen zum Standard geworden, aber unipolare Motoren verdienen immer noch ihren Platz in der Prototypenentwicklung, in der Ausbildung und bei der Wartung älterer Systeme.

Weiterführende Lektüre

• So funktioniert ein Schrittmotor — Anatomie, Schrittmethoden und Grundlagen der Motorauswahl
• Berechnung von Spannung, Strom und Widerstand — elektrische Theorie zur Dimensionierung von Motoren und Treibern
• Schrittmotortreiber (0,3 A—2,0 A) — Das Angebot an kompatiblen Treiberplatinen von Accu

Häufig gestellte Fragen

F: Kann ich einen bipolaren Treiber mit einem unipolaren Motor verwenden?

A: Ja, vorausgesetzt, der Motor hat sechs oder acht Leitungen. Lassen Sie die Kabel in der Mitte getrennt und verdrahten Sie die gesamten Spulenenden mit dem Bipolartreiber. Der Motor verhält sich wie ein bipolarer Motor und liefert ein höheres Drehmoment als in seiner unipolaren Konfiguration.

F: Ist ein unipolarer Motor weniger zuverlässig als ein bipolarer Motor?

A: Nein. Die Zuverlässigkeit wird von der Lagerqualität, dem Wärmemanagement und den Betriebsbedingungen bestimmt, nicht von der Wicklungskonfiguration. Beide Typen verwenden dieselbe grundlegende Konstruktion. Der Unterschied besteht lediglich darin, wie die Spulen angezapft und angetrieben werden.

F: Warum verwenden die meisten 3D-Drucker bipolare Schrittmotoren?

A: 3D-Drucker benötigen eine hohe Positionsgenauigkeit und ein gleichbleibendes Drehmoment über einen Geschwindigkeitsbereich hinweg, oft innerhalb enger Platzverhältnisse. Bipolarmotoren bieten ein höheres Drehmoment pro Baugröße und lassen sich auf natürliche Weise mit weit verbreiteten Microstepping-Treiberplatinen wie denen auf dem TMC2209-Chipsatz kombinieren. Die Beeinträchtigung der Treiberkomplexität ist in diesem Zusammenhang vernachlässigbar, da der Treiber-IC alles auf einem einzigen Chip abwickelt.

F: Was sagt mir die Anzahl der Leitungen an einem Schrittmotor?

A: Vier Leitungen bedeuten nur bipolar. Fünf Ableitungen bedeuten nur unipolar (intern verbundene Mittelabgänge). Sechs Leitungen bedeuten, dass der Motor entweder unipolar oder bipolar betrieben werden kann, je nachdem, wie Sie ihn verkabeln. Acht Leitungen bieten die größte Flexibilität und unterstützen unipolare, serielle bipolare und parallele bipolare Konfigurationen.

F: Erhalte ich mehr Drehmoment, wenn ich von unipolar auf bipolar umstelle?

A: In den meisten Fällen ja. Der Betrieb der vollen Wicklung anstelle von Halbspulen erzeugt ein stärkeres Magnetfeld und ein höheres Haltemoment. Die genaue Verbesserung hängt von der Konstruktion des Motors ab. Bei der Umstellung eines unipolaren Motors mit sechs Leitern auf bipolaren Betrieb sind jedoch Verstärkungen von 30— 40% typisch.