Unipolaren Schrittmotor bipolar verwenden

Ich habe hier einen unipolaren Schrittmotor TANDON 210323F.
Auf dem Motor steht: 33 Ohm, 12V, 1,8 Grad

Die Strombelastbarkeit ist nicht angegeben, aber vernachlässigt man mal die Induktivität ergibt sich rechnerisch: 12V / 33 Ohm = ca. 0,36 A.

Ich verwende diesen Motor bipolar, d.h. die Mittelanzapfungen sind frei.

Frage: Wie ändern sich Strom und Spannung durch den bipolaren Betrieb? Der Widerstand einer Spule ist ja im bipolaren Betrieb verdoppelt. Heißt das die Strombelastbarkeit halbiert sich bei einem 12V Betrieb? Oder müsste ich die doppelte Spannung anlegen (das wäre allerdings für einen Bot ungünstig)? Oder bleibt es trotzdem bei 12V, 0,36A?

[bhm]

moin,
hmm, ich wollte gerade anfangen zu schreiben, da hab ich nachmal kurz nachgedacht (sollte man ja eigentlich immer tun ;-))
Also, im Prinzip könnte jede der Spulen 0.36A vertragen, also sollten auch 2x12A angelegt werden.
Allerdings:
a) Normalerweise (unipolar) wird nur eine (oder 2 Spulen im Halbschrittbetrieb) angetrieben. Mit 2 Spulen in Serie (bipolar) hat man also das doppelte Magnetfeld. Also könnte, für dieselbe Kraft wie im Unipolarbetrieb, der Strom halbiert werden. Folglich 1x12V.
b) Bei doppeltem Strom bleibt auch die doppelte Leistung (=Wärme) im Motor. Das könnte auf die Dauer zuviel sein.

Folglich würde ich sagen, dass das Ding auch mit 12V geht, aber für mehr Kraft wäre 2x12V besser. Dann aber am Besten nur kurzfristig, oder im Vollschrittbetrieb mit jeweils nur 2 Spulen unter Strom.

Alles natürlich theoretisch und ohne eigene Erfahrung.
Jetzt kommen natürlich wieder die Experten, die ohnehin eine höhere Spannung und eine Stromregelung vorziehen ... ;-)

ciao .. b

@bhm: Ich steuere den Motor e geregelt mit der L297/L298 Schaltung aus dem Board an. Ich frage mich eben nur, was ich als Motorstrom bei der Berechnung der Referenzspannung zugrundelegen muss:

I = 12 V / 33 Ohm also die 0,36 A

oder

I = 12 V / 2 * 33 Ohm = 0,18 A

Jetzt komme ich aber auch ins Grübeln...

1. Wenn Du dem L298-Treiber per Referenzspannung einen Strom vorgibst, der in der Nähe dessen liegt, was der Motor beim Anlegen einer Gleichspannung nach dem ohmschen Gesetz zieht, kommt der L298 gar nicht zum Regeln. Erst wenn der Motor durch niedrigen Spulenwiderstand mehr ziehen möchte, kommt die Regelung zum Zug.

2. Miß doch einfach den Strom durch den Motor, wenn Du 12V oder 24V anlegst und die halbe Spule oder die ganze Spule nimmst.

3. Ich bin mir nicht sicher, ob die Angabe 12V (diese zielt ja auf die thermische Belastbarkeit; elektrische Leistung = Wärme, hat bhm schon gebracht) unipolar oder bipolar meint. Nehmen wir an, sie meinen die halbe Spule. Bei doppelter Spule darf die eingebrachte elektrische Leistung wieder gleich sein. Bei gleichbleibender Spannung sinkt sie aber auf die Hälfte, bei doppelter Spannung steigt sie auf das Doppelte. Die Wahrheit liegt dazwischen: P = U^2 / R, die neue Spannung muß das 1,4fache der alten sein. So wärs korrekt.

4 und Schluß: Ich denke, Du willst bei 12V bleiben. Stell den Strom ruhig auf 0,5A, der Motor genehmigt sich sowieso nicht mehr als höchstens 0,36. Der L298 schaltet dann einfach nur ein, ohne zu regeln. Ich glaube, das tut ihm nichts. (Ganz sicher bin ich mir leider nicht). Später besorgst Du Dir vielleicht Motoren mit weniger Nennspannung, das ist immer besser. (Da sind sie, die Besserwisser, von denen bhm sprach...)

[bhm]

a) Messen ist immer gut.
b) Beim jetzigen Aufbau (12V/bipolar) wird die Stromregelung sicher nicht greifen.
c) Die "Besserwisser" haben natürlich recht, weil bei höheren Taktraten die Induktivität schon eine Rolle spielt und bei konstanter Spannung den Strom in den Keller drückt.

ciao .. b

Habe auch nochmal etwas gegrübelt...

Ich betreibe den Motor im Moment noch stationär. An der 297/298 Schaltung liegen so ca. 24V an. Später will ich einen 12V Akku mit Spannungsverdoppelung verwenden. Daher denke ich schon, dass es etwas zu regeln gibt. Wenn ich bei einer bipolaren Beschaltung das 1,4 fache der Spannung anlegen müsste, wären das ja 12 * 1,4 = ca. 17V. Da es aber 24V sind, müsste ich den Strom begrenzen, richtig?

@Gast (O:))
zu 1.) Die Aussage, dass die Schaltung nicht zum regeln kommt, wenn man den Strom vorgibt, den der Motor nach dem ohmschen Gesetz zieht, verstehe ich nicht. Ich rechne doch den Strom aus der für den Motor vorgegebenen Spannung aus und nicht aus der Spannung, die an der Schaltung anliegt!?
Die Schaltung soll doch gerade trotz der höheren Spannung an der Schaltung den Strom für den Motor auf diesen Wert begrenzen!

zu 2.) Ich habe den Widerstand gemessen und der beträgt 33 bzw. 66 Ohm. Kann sich natürlich aufgrund der Induktivität im Betrieb ändern. Da die Spannung nicht konstant anliegt, ist das aber mit nem digitalen Multimeter schlecht zu messen.

zu 4.) Wie kommst Du auf die 0,5A?

Werde es jetzt erstmal mit 0,36A als Strom für die Referenzspannung versuchen (trotz bipolarem Betrieb) und hoffe mal, dass das Ding nicht abraucht. :-b
Hatte halt nur gedacht es gäbe vielleicht etwas professionellere Methoden. O:)

Allgemein zum Thema bipolar/unipolar: Wenn ich richtig verstanden habe, muss man also gedanklich bei einem unipolaren Motor die angegebene Spannung immer mit 1,4 multiplizieren, wenn man in mit 297/298 betreiben will. Ein bipolarer 5V Motor wäre damit für den Roboterbau besser geeignet als ein unipolarer 5V Motor, weil man für letzteren eine höhere Spannung benötigt (vorausgesetzt, die anderen technischen Daten sind gleich), richtig?

[toemchen]

Der erste grübelnde Gast war ich.

Arbeiten wir mal die Sachen nacheinander ab.

1. Ok, wenn Du 24V hast, dann solltest Du vielleicht den Strom auf einen Wert begrenzen, der entstehen würde, wenn man eine bipolar betriebene Spule mit 17V beaufschlagt. Also 17V / 66 Ohm = 0,26A. Jetzt hast Du auch eine kleine Reserve in der Leerlaufspannung, wichtig für den nächsten Punkt:

2. Stromregelung. Der L298 regelt per Chopperbetrieb. D.h. der Transistor beaufschlagt die Spule mit der vollen Spannung, in der Spule steigt der Strom entsprechend eine e-Kurve an (Induktivität, Zeitkonstante usw.). Wenn der vorgegebene Strom erreicht ist, schaltet der Treiber ab, die Spule erzeugt durch ihre Induktivität eine eigene Spannung und läßt den Strom weiterfließen. Der Strom fällt mit derselben Geschwindigkeit wieder ab. Bis er wieder unter den vorgegebenen Wert fällt und der Treiber wieder einschaltet. Wenn Du die Strom-Vorgabe genau so wählst, die sich der Strom beim Anlegen einer simplen Gleichspannung an die Spule durch den Spulenwiderstand ergibt, so findet das Ein-Aus-Spiel nicht statt, der Strom wird nicht geregelt. Macht aber nichts, der Motor genehmigt sich soviel, wie er braucht. Erst bei höherer Versorgungspannung bzw. kleiner gewählter Stromvorgabe geht die Regelung los. Bei 24V, 66 Ohm und 0,26A wird geregelt. Bei 12V, 33 Ohm und 0,36A gerade noch nicht.

Zum Messen: Kannst ja ruhig mal Gleichspannung anlegen.

Zu den 0,5A: Einfach eine Hausnummer, um auf jeden Fall über dem Punkt zu sein, wo sich der Treiber nicht entscheiden kann, ob er nun regeln soll oder nicht. Wenn der Motor z.B. bei 12V unipolar betrieben wird, vertragen die Spulen ja die volle Spannung und dürfen ruhig satt eingeschaltet werden.

0,36A bipolar: Wenn Du 24V Speisespannung hast, bist Du genau im Grenzfall. Du könntest genauso 0,5A oder 1A einstellen, der Motor genehmigt sich sowieso nicht mehr als 0,36A. Die elektrische Leistung, die Du einbringst, ist ein bißchen zu hoch, aber da würde ich mir nicht soviel Sorgen machen. Es dauert lange, bis so ein Schrittmotor abraucht. Da darf es fast zischen, wenn Du mit einem angefeuchteten Finger aufs Blechpaket fasst. 80° C sind noch nicht wirklich schlimm (außer für den Finger)

Zum letzten: Richtig, bipolarer Betrieb ist grundsätzlich besser als unipolarer. Du kannst jeden unipolaren Motor auch bipolar betreiben. Aber du mußt die Spannung WENIGSTENS um den Faktor 1,4 erhöhen. Und Du solltest den Strom evtl. begrenzen, um die thermische Belastung nicht zu überteiben. Hattest Du aber zuvor schon eine genau zur Motorspannung passende Speisespannung und erhöhst diese exakt 1,4fach, brauchst Du den Strom nicht extra begrenzen.
Mit dem Treiber hat das übrigens zunächst gar nichts zu tun. Bei den oben angeführten Beispielen, in denen gar nicht stromgeregelt wird, könntest Du auch zwei H-Brücken mit einzelnen Transistoren verwenden. Das wäre trotzdem auch bipolar. Der L298 ist allerdings viel praktischer.
Noch zur Erklärung (so ein bißchen "Sendung mit der Maus"-mäßig): In einem Motor bestimmter Baugröße kann man ja nur eine bestimmte Menge an Kupferwicklung unterbringen, die den magnetischen Fluß im Eisen erzeugt. Und bei unipolarem Betrieb ist immer nur die Hälfte des Kupfers am Arbeiten, obwohl der erzeugte magnetische Fluß ja trotzdem den Umweg um das ganze Kupfer herum nehmen muß.

Die Frage "lieber wenig Nennspannung und geringer Spulenwiderstand, bei gleichzeitig hoher Speisespannung und geregeltem Strom" ist dann nochmal eine andere, nämlich die der Schrittfrequenz.

[toemchen]

Übrigens, hab' mir gerade nochmal den Artikel über Schrittmotoren von Frank angesehen. Da steht alles super drin.

[Manf]

Wenn ein Schrittmotor mit unipolar mit 12V 0,36A betrieben wird, dann arbeitet er mit einem bestimmten Moment.
Werden die Pole über doppelt so viele Windungen erregt, dann benötigt man für das gleiche Moment: den halben Strom.

Da man bei zwei Spulen hintereinander geschaltet den doppelten Widerstand hat, schließt man die zwei Spulen auch an 12V an.
Das verblüfft vielleicht etwas, aber man arbeitet dann beim gleichen Moment mit der halben Verustleistung.

Zu erklären ist es damit, dass der doppelte Wickelraum genutzt wird und die ohmschen Verluste sich dabei halbieren. Betrachtet wurden ja nur die ohmschen Verluste, nicht die mechanische Leistungsabgabe und das dynamische Verhalten mit induzierten Spannungen.
Manfred

[toemchen]

Ich sehe schon, es wird immer weiter gegrübelt.

Manfred hat recht, schon bei gleichbleibender Spannung kommt man mit bipolarer Ansteuerung auf das gleiche Halte/Drehmoment wie bei unipolarer, bei verminderter elektrischer Leistung!

Das heißt aber auch: Bei 1,4facher Spannung hat man mehr Drehmoment, bei gleichbleibender elektrischer Leistung. Das ist ja ein noch griffigeres Argument für bipolare Ansteuerung!

Aber irgendwann müssen wir doch noch das dynamische Verhalten ins Spiel bringen, das wird nämlich bei "bipolar statt unipolar mit gleichbleibender Spannung" wirklich schlechter.
Ob es bei "bipolar statt unipolar mit 1,4facher Spannung" zumindest gleichbleibt, kann ich nicht so genau sagen. Dazu bin ich zuwenig E-Techniker.

[Manf]

Bei der doppelten Windungszahl ist die induzierte Spannung doppelt so groß.
Die induzierte Spannung (beispielsweise bei einer hohen Drehzahl) muß durch die Ansteuerung aufgebracht werden. Ohne Verluste sollte die Spannung für die dynamischen Anforderungen doppelt so groß sein.

Im Grenzbereich der Drehzahl und Last beträgt (bei einem mittlerem bis guten Schrittmotor) die induzierte Spannung etwa 60% der ohmsche Anteil entsprechend 40%.
Im Vergleich zum unipolaren Fall müßte man den dynamischen Teil verdoppeln und den ohmschen beibehalten: 2x60% + 40% = 160%.
Im Stillstand sollte der Strom dann nicht durch den ohmschen Widerstand begrenzt werden.
Die Betrachtung ist nur als grundsätzliche Abschätzung der Verhältnisse zwischen den beiden Beschaltungen zu verstehen. Die 60% werden bei weitem nicht von allen Schrittmotoren erreicht.
Manfred