Schrittmotoren unipolar/bipolar

Schrittmotoren gibt es grundsätzlich in den zwei unterscheidlichen Bauarten „unipolar“ und „bipolar“. Die unipolar Motoren werden pro Phase oder Anschluss nur mit einer Spannung versorgt, die an- oder ausgeschaltet wird.

Bei bipolaren Motoren werden die Wicklungen so mit Spannung versorgt, dass sich auch Ihre Polarität umkehrt. Bipolare Motoren benötigen daher meist eine sogenannte H-Schaltung, die im Aufbau aufwändiger ist als die für unipolare Motoren.

Da die unipolaren Motoren in der Fertigung und die Herstellung der Ansteuerungseinheit preiswerter sind, kommt diese Bauart sehr häufig in kostensensitiven Produkten wie in Druckern oder ähnlichem zum Einsatz. Daher gibt es auch häufig ausgeschlachtete, günstige Motoren dieser Bauart bei ebay oder Restpostenhändlern wie Pollin.

Eine sehr anschauliche Animation zu Schrittmotoren unipolar/bipolar und auch BLDC-Motoren kann man sich auf der deutschen Website von nanotech ansehen.

Ein unipolarer Schrittmotor besitzt zwei Wicklungen pro Phase, eine für jede Richtung des Magnetfeldes. Da bei dieser Anordnung ein magnetischer Pol ohne Umschalten der Stromrichtung umgekehrt werden kann, kann die Kommutierungsschaltung sehr einfach aufgebaut werden (z.B. ein einzelner Transistor für jede Wicklung), drei Leiter pro Phase und sechs Leitungen für einen typischen Zweiphasenmotor. In der Regel wird bei einer Phase je ein Ende jeder Wicklung gemeinsam genutzt. Oft werden die zwei Mittelanschlüsse intern verbunden, sodass der Motor dann nur fünf Anschlüsse hat.

Ein Mikrocontroller oder Schrittmotor-Controller kann verwendet werden, um die Treiber-Transistoren in der richtigen Reihenfolge zu aktivieren. Diese einfache Bedienung macht unipolare Motoren bei Hobbyanwendern beliebt. Dieses ist wahrscheinlich der billigste Weg, um einen Schrittmotor anzusteuern.

Bei den Motoren mit 6 Anschlussdrähten, wird die Mittelanzapfung für die zwei Wicklungspakete einzeln herausgeführt. Hier besteht weiterhin die Möglichkeit, diese Motoren auch mit einer bipolaren Beschaltung zu betreiben.

Bei den Motoren mit nur 5 Anschlussdrähten, wurden die beiden Mittelanzapfungen bereits im Motor verbunden. Hier ist nur noch die Beschaltung als unipolarer Motor möglich.

Die üblicherweise im Hobbybereich verwendeten Treiberschaltungen mit dem Toshiba Chip TB6560 oder aus dem 3D-Druckerbereich die Chips von Texas, Allegro usw. können nur bipolare Motoren ansteuern. Daher ist vorzugsweise auf die Anschaffung von Motoren mit 4, 6 oder 8 Anschlussleitungen zu achten.

Zur Ansteuerung eines unipolaren Motors wird die folgenden Schaltungsreihenfolge verwendet:

Je nach verwendetem Leistungstransistor kann der Mittelanschluss (Common) entweder auf Masse also Minus oder an die Betriebsspannung somit Plus gelegt werden.

Eine Beispielschaltung für die Ansteuerung eines unipolar Schrittmotors mit einem L297 Baustein könnte wie folgt aussehen Schaltplan oder gleich komplett diskret aufgebaut werden Schaltplan diskret. Weitere Anregungen auf z.B. pminmo.com.

Bipolare Motoren haben eine Wicklung pro Phase. Der Strom in einer Wicklung muss umgekehrt werden, um den Magnetfluss umzukehren. Daher muss die Treiberschaltung komplizierter aufgebaut sein. Typischerweise wird sie mit einer H-Brückenschaltung aufgebaut.

Weil die Wicklungen als ganzes besser genutzt werden, haben bipolare Motoren meist einen höheren Drehmoment als unipolare Motor gleicher Größe bzw. Gewichts. Dies ist aufgrund der physikalischen Raumausnutzung durch die Wicklungen begründet. Ein Unipolarmotor benötigt die doppelte Menge des Drahtes im gleichen Raum, aber verwendet nur die Hälfte der Wicklungen zu einem Zeitpunkt. Damit fällt der Wirkungsgrad auf 50% (oder etwa 70% des möglichen Drehmomentes). Ein 8-Leiter-Schrittmotoren wird wie ein unipolarer Schrittmotor gewickelt, aber die Leitungen sind nicht zu einem gemeinsamen Anschluss intern im Motor verbunden. Diese Art von Motorwicklungen kann flexibel in verschiedenen Konfigurationen verwendet werden.

Bipolare Schrittmotoren haben mittlerweile die häufigste Verbreitung, da sie aufgrund ihrer Leistung und einer flexibleren Ansteuerung universeller eingesetzt werden können. Moderne Treiberchips verringern die Komplexität der notwendigen Ansteuerung auf zwei Signale pro Motor (Takt u. Richtung). Bei bipolaren Motoren hat man neben den üblichen Vollschritten auch die Möglichkeit von Halb- und Viertelschritten. Microstepping, also die Pulsbreitenmodulation der Vollschritte, ist dann wieder bei beiden Bauarten möglich.

Bipolare Motoren haben eine gerade Anzahl von Adern so z.B. 4, 6 oder 8 Anschlüsse. Die typischen Beschaltungen sind:

Die Schaltreihenfolge von bipolaren Motoren ist für Vollschritte/Halbschritte wie folgt: