Prinzipieller Unterschied zwischen uni- und bipolaren Schrittmotoren

[jufo83]

Hallo,

hier mal eine Frage für die Schrittmotor-Experten:

ich habe vor 30 Jahren eine kleine CNC-Maschine mit Schrittmotoren RDM50/8 von Berger-Lahr aufgebaut. Zum Motor habe ich kein Datablatt mehr.
Da der Motor 8 Anschlüsse besitzt, vermute ich, dass ich ihn bipolar betreiben könnte.

Momentan wird jede Wicklung einfach unipolar mit 24V über einen Open-Collector-Treiber versorgt. Die Wicklungen haben je 300Ohm/80mA (ist auch aufgedruckt).
Wegen der hoher Spannung/WiderStand/Impedanz ist dies evtl. kein guter Kandidat für Stromreglung mit Chopping.
Aber selbst beim Betrieb mit Festspannung könnte jede Wicklung mit +/-24V bipolar beschickt werden. (Gibt es eigentlich Standard-Brückenschaltungen als IC, die ohne Chopping mit Festspannung arbeiten?)

Nur ist mir eine Sache nicht ganz klar: Oft wird mit verschiedenen Anschluss-Schemata erörtert, welche Anschlüsse sich für bipolaren bzw. unipolaren Betrieb eignen.
Gibt es keinen internen Unterschied im Aufbau? Ist somit jeder Schrittmotor mit 8 Anschlüssen auch zum bipolaren Betrieb geeignet?

Danke und viele Grüße,
Michael

[Geistesblitz]

Naja, bei den Schrittmotoren mit 8 Anschlüssen hast du wirklich beide Anschlüsse jeder Spule. Wenn du jede Spule einzeln ansteuerst betreibst du den Schrittmotor unipolar, schaltest du die jeweils gegenüberliegenden Spulen in Reihe oder parallel, betreibst du ihn bipolar. MMn ist die bipolare Betriebsart effektiver. Je nachdem, ob man die Spulen in Reihe oder parallel schaltet, ergeben sich auch andere Betriebsverhalten, musst mal danach suchen.

[jufo83]

Hmm. Das beantwortet meine Frage nur indirekt. Mir ist aus verschiedenen Postings klar, dass ich bei 8 Drähten jede Spule einzeln im Zugriff habe und daher sowohl einen unipolaren als auch einen bipolaren Betrieb versuchen kann. Aber: ist jeder Schrittmotor, bei dem ich diesen Zugriff auf alle Spulen habe, damit automatisch auch geeignet, bipolar betrieben zu werden? Oder mag es irgendeine Einschränkung (ausser der Verdrahtung) geben, die den Motor für bipolaren Betrieb ungeeignet macht? Vielleicht denke ich hier zu paranoid; deine Antwort impliziert wohl, dass es keine weiteren Kriterien gibt.

Bei Serienschaltung sehe ich das Problem, dass ich konstante 48V benötigen würde, um überhaupt 80mA über 600Ohm zu erreichen. Wenn ich dann noch stromgeregelt ansteuern würde, gehe ich von 60-80 Volt aus, damit die Regelung überhaupt Spielraum hat.

Wenn ich mir aktuelle Schaltungen anschaue, scheint mir keine sonderlich geeignet für so kleine Ströme; heutige Motoren sind wesentlich niederohmiger.

[PICture]

Gibt es keinen internen Unterschied im Aufbau?

Ich bin kein Stepperexperte und kann nur sagen, was ich weiss. Wenn jede Spule einzeln mit zwei Anschlüssen ausgeführt ist, den Steppertyp (uni- bzw. bipolar) definiert die externe Verbindung der Spulen.


Ist somit jeder Schrittmotor mit 8 Anschlüssen auch zum bipolaren Betrieb geeignet?

Ohne Kontrolle der Verbindungen zwischen Anschlüssen sicher nicht. ;)

[jufo83]

Die genaue Identifikation der 8 Anschlüsse wird sicher noch ein Problem; jede Spule hat zwei Adern, aber diese haben jeweils die gleiche Farbe. Mit der Polarität hilft also ein Ohmmeter nicht wirklich weiter. Try-and-Error hat leider recht viele Kombinationen. Dies war eigentlich ein Hinweis für mich, dass der Hersteller diesen Motor für den unipolaren Betrieb vorgesehen hat; sonst hätte er sicher eine geeignete Farbgebung vorgenommen.

Trotzdem vielen Dank an Geistesblitz und PICture für die freundlichen Antworten.

[PICture]

Wenn die Spulen bifilar gewickelt sind, müsste es ein Motor mit üblich seriell verbundenen Spülen sein (angablich unipolar). Bei billigen BLDC (eine Art von Stepper) Lüftermotoren gibt es eben nur eine Spule mit mehreren Magnetpolpaaren (siehe dazu: https://www.roboternetz.de/community/threads/57560-Stromsparsamer-Stepper ).

Übrigens, bei Stepper muss ich immer ein wenig zweifeln, weil unipolare mit bipolarer Spannung und umgekehrt gesteuert werden. ;)

[jufo83]

Es mag auch sein, dass mein RDM50 bifilar gewickelt ist, obwohl alle 4 Anschlüsse der zwei bifilar gewickelten Spulen herausgeführt sind. Ich nehme inzwischen wegen des Schrittwinkels (der ist 18 Grad!) an, dass der Aufbau sehr ähnlich der billigeren Schrittmotoren von Nanotec ist (siehe http://de.nanotec.com/schrittmotor_lowcost.html). Tatsächlich ist das äussere Erscheinungsbild sehr ähnlich (nur 2 Löcher im Flansch).

Dort schreibt Nanotec "Aufgrund des einfachen Konstruktionsaufbaus (die Statorwicklungen bestehen nur aus 2 Ringspulen und der Stromfluß erzeugt dann über senkrecht ausgestanzte Polschuhe eine elekromagnetische Kraft), werden die SP Permanentmagnet-Schrittmotoren in unzähligen preiswerten Geräte-Anwendungen, bei denen größere Schrittwinkel ausreichend sind, eingesetzt."

Ich habe ein Datenblatt von einem Nachfolgemodell meines Motors, dem RDM57/12. Diesen gibt es explizit in einer unipolaren 6-Draht Ausführung und einer bipolaren 4-Draht Ausführung mit etwas anderen Spulenwiderständen und Impedanzen. D.h. obwohl die unipolare Ausführung des Motors mit 6 Anschlüssen herausgeführt wird, steht dieser Motor als unipolarer Motor im Datenblatt. Das hatte mir den Eindruck vermittelt, dass es neben der reinen Beschaltung noch andere Kriterien gibt. Nach meiner jetzigen Einsicht wäre aber auch der als unipolar verkaufte Schrittmotor bipolar zu betreiben (umgekehrt natürlich nicht). Evtl. hat also der Hersteller nur seiner "Präferenz" Ausdruck verliehen und die unterschiedlichen Impedanzen machen den Motor für andere Beschaltungen besser geeignet. Übrigens sind laut Datenblatt die Dreh- und Haltemomente der bipolaren Ausführung etwa dreimal höher.

Dass es derselbe Motortyp mit zwei Ausführungen ist, spricht allerdings deutlich für die Theorie, dass es sich nur um zwei Spulen handelt, die in der bipolaren Ausführung bifilar gewickelt sind.

In der ganzen Serie von Berger-Lahr gibt es nur die Schrittwinkel 7.5 und 18 Grad. Übrigens war meine Angabe, dass beim meinem RDM50/8 jede Spule mit zwei gleichfarbigen Anschlüssen herausgeführt ist, falsch. Tatsächlich gibt es zwei weisse, zwei blaue, zwei gelbe und zwei rote Anschlüsse. In der momentan funktionierenden unipolaren Beschaltung liegen aber alle blauen und weissen Anschlüsse auf Masse und die Open-Collektor-Treiber "versorgen" die anderen 4 Anschlüsse im Wechsel rot, gelb, rot, gelb (D.h. in jeder Phase sind genau ein roter und ein gelber Anschluss auf Spannung). Damit sind die Kombinationen begrenzt, denn welche blauen/weissen Anschlüsse zu welchen gelben/roten gehören, kann ich mit dem Ohmmeter herausfinden.

Mit den Halb-Brücken aus einem L293D müsste man also den Motor sowohl unipolar als auch bipolar ansteuern können. Ich habe mich gefragt, ob dies mit einer festen Verdrahtung möglich ist, so dass nur die Logik vorgibt, welche Betriebsart besteht. Wenn man die blauen und weissen Anschlüsse zu einem "mittleren" Anschluss verbindet, hätte man einen Aufbau analog zu einer Ausführung mit 6 Anschlüssen. Aber diese mittlere Anschluss müsste für bipolaren (seriellen) Betrieb hochohmig geschaltet werden. Die Halbbrücken im L293D werden aber nur per "Enable" hochohmig und dieser "Enable" ist leider für jeweils zwei Halbbrücken zusammengefasst. Schade. Mit einem zusätzlichen Open-Emitter als einzelnem Transistor könnte man den Mittelanschluß allerdings "per Logic" zwischen Masse (unipolarer Betrieb) und hochohmig (bipolarer Betrieb) umschalten. Die anderen Anschlüsse würden dann auf vier Halbbrücken geführt. Und wenn man stattdessen die Anschlüsse nicht zusammenfasst und bipolaren seriellen Betrieb anstrebt, braucht man satte acht separate Halbbrücken.

Grüße,
Michael

[jufo83]

Ich konnte inzwischen verifizieren, dass der RDM50 auch bipolar angesteuert funktionert.

[Besserwessi]

Man kann einen Unipolaren Motor immer auch Bipolar ansteuern. Man kann damit wenigstens die Verlustleistung reduzieren, weil man 2 Wicklungen parallel hat durch die der Strom fließt. Bei den 8 Anschlüssen kann man auch tatsächlich parallel schalten. Das reduziert auch schon den Spannungsabfall am Widerstand, hilft aber nur wenig bei höherer Geschwindigkeit. Bei eher kleinen Motoren ist eher die Erwärmung begrenzend und man darf bei Parallelschaltung insgesamt mehr (ca. 40%) Strom nutzen - so dass wieder die gleiche Verlustleistung entsteht.
Die richtige Polung der Spulen braucht man auch schon bei der unipolaren Betriebsweise. Der Test aber auch nicht so schwer, braucht aber mehr als nur das Multimeter. Möglich wäre es z.B. eine Wechselspannung (z.B. 1 kHz) an eine Spule anzulegen und dann die Spule zu suchen, die eine ähnlich große Spannung mit der richtigen Phase hat. Zur Not geht das auch noch ohne Oszilloskop, nur mit Funktionsgenerator und DMM. Sofern man schon weiss welche Spulen zusammengehören (Unipolar abwechselnd genutzt) kann man auch je ein Spulenpaar zusammenschalten und mit Gleichstrom betreiben: liegt man richtig steht der Motor quasi fest - liegt man falsch, lässt sich der Motor wie ohne Strom drehen.

Den Motor bipolar aber ohne Stromregelung zu betreiben bringt kaum Vorteile (weniger Wärme bei langsamer Geschwindigkeit, oder etwas mehr Kraft) aber auch Nachteile: weniger Kraft bei höherer Geschwindigkeit, weil die Induktionsspannung gleich bleibt, die äußere Spannung aber geringer ist. Mit einem zusätzlichen Serienwiderststand könnte man den Nachteil etwas mehr als ausgleichen und auch weiter 24 V nutzen.

Wenn schon, dann wohl mit Stromregelung, selbst wenn es bei den 24 V bleibt. Wenn man die Spannung nicht erhöht, ist auch mit Stromregelung der Vorteil noch relativ gering (etwas weniger Spannungsverlust am Widerstand, dafür aber mehr am Treiber) - mit vielleicht 25% mehr Geschwindigkeit würde ich rechnen.

[jufo83]

Ich habe die Anschlüsse mit Hilfe der hier beschriebenen Methode ausschliesslich mit Ohmmeter und Batterie (ohne Funktionsgenerator) bestimmt: http://www.massmind.org/Techref/io/stepper/wiresmeterbattery.htm

Mein Problem mit der Stromregelung ist, dass ich eine Schaltung mit wesentlich höherer Versorgungsspannung benötige; viele billige Schaltungen taugen nur bis ca. 30 Volt. Bei Parallelbetrieb rechne ich mit 1/sqrt(2) = 71% von 24V im rein ohmschen Fall, benötige aber mindestens Faktor 2 damit die Stromregelung der Induktivität "etwas entgegenzusetzen" hat.

In einem anderen Forum/Thread wird mir eindringlich unipolarer Betrieb mit LiniStepper nahegelegt, aber Chopping mit MOSFETs ist mir "sympathischer", als viele Watt Verlustleistung in einen grossen Kühlkörper zu pumpen.

Danke und Gruß,
Michael

[Peter(TOO)]

Hallo Michael,


In einem anderen Forum/Thread wird mir eindringlich unipolarer Betrieb mit LiniStepper nahegelegt, aber Chopping mit MOSFETs ist mir "sympathischer", als viele Watt Verlustleistung in einen grossen Kühlkörper zu pumpen.

Eine Chopper-Lösung ist halt anspruchsvoller in der Umsetzung und es gibt mehr Stolperfallen als bei einer linearen Lösung.
Das betrifft auch das PCB-Layout.

MfG Peter(TOO)

[Besserwessi]

Bei der mit 24 V (bzw. reduziert auf 16,8 V) sowieso schon recht hohen Spannung fällt gar nicht so viel Leistung an der Stromregelung ab. Bei 30 V Reserve wären das 4,8 W (für den ganzen Motor) bei geringer Geschwindigkeit - weniger wenn der Motor schneller läuft, oder bei Halbschrittbetrieb.
Für den Stillstand könnte man ggf. auch noch den Strom absenken.

[kess]

Kennt ihr diesen Blog? http://www.schrittmotor-blog.de/unipolar-oder-bipolar/