众所周知,步进电机主要是依相数来做分类的,通常我们常见的有四相、二相、三相等几类。所以本文小编主要介绍三相步进电机与两相步进电机得差距在哪里,首先介绍的是它们之间的区别,其次阐述了三相步进电机与两相步进电机步距角之间的差距,具体的跟随小编来详细了解一下。
三相步进电机与两相步进电机的区别
1、电机的相数
是指电机内部的线圈数不同,两相步进电机电机内部是由2个线圈组成,而三相步进电机内部是由3个线圈。
2、电机的步距角
是指电机每走一步的角度,一般市面上二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°。
3、电机的尺寸
三相的电机一般是大电机,所以尺寸方面一般会比两相的电机大,这也决定了三相步进电机比两相的运行起来平稳性更好。
4、力矩
二相的电机的力矩相同尺寸会比三相的力矩稍微大些。
5、精度
两相步进电机驱动器的细分功能越来越强大,两相的同样可以达到三相所能达到的精度。
三相步进电机的高速性能好(特性较硬),要比两相步进电机的步距角小,精度更好。由于扭力随速度升高下降得较慢,所以通常用于精度要求高的场合。
三相步进电机与两相步进电机步距角详解
1、决定步距角的因素
步进电机分辨率(一圈的步数,360°除以步距角)越高,位置精度越高。为了得到高分辨率,设计的极数要多。PM型转子为N与S极在转子的铁心外表面上交互等节距放置,转子极数为N极与S极数之和,为简化讲解,假设极对数为1。此处确定转子为永久磁铁的步进电机的步距角θs由下式表示,其中Nr为转子极对数,P为定子相数,(本课后面叙述的HB型步进电机Nr为转子齿数):
上式的物理含义如下:
转子旋转一周的机械角度为360。,如用极数2Nr去除,相当于一个极所占的机械角度即180°/Nr。这就是说,一个极的机械角度用定子相数去分割就得到步距角,此概念如下图所示。
由式θs=180°/PNr可知,步距角越小,分辨率越高,因此要提高步进电机的分辨率,就要增加转子极对数或采用定子相数P较多的多相式方法。而Nr的增加受到机械加工的限制,所以要制造高分辨率的步进电机需要两种方法并用才行。
2、两相步进电机
两相步进电机最简单的构成为Nr=1的情况,电机结构如下图所示。一般两相电机定子磁极数为4的倍数,至少是4。转子为N极与S 极各一个的两极转子。
定子一般用硅钢片叠压制作,定子磁极数为4极,相当于一相绕组占两个极,A相两个极在空间相差180°,B相两个极在空间也相差180°。电流在一相绕组内正负流动(此种驱动方式称为双极性驱动),A相与B相电流的相位相差90°,两相绕组中矩形波电流交替流过。
即两相电机的定子,在Nr=1时,空间相差90°,时间上电流相差90°相位差,电流与普通的同步电机相似,在定子上产生旋转磁场,转子被旋转磁场吸引,随旋转磁场同步旋转。
上图表示两相步进电机的结构(PM型)及其运行原理,从图(a)到图(b)顺时针旋转90°,依次图(c)、(d)均旋转90°,依次不断运转成为连续旋转。
以上图为例,假如A相有两个线圈,单向电流交替流过两个线圈,也可产生相反的磁通方向,此方式称为单极(uni-plar)型线圈。
如下图所示线圈内部只流过单方向电流,此线圈称为单极型线圈;另一种,线圈内流过正、反方向电流的线圈称为双极型线圈,两种线圈的优缺点将在后面的课程中详细介绍。单极型线圈可以取代上图所示双极型线圈,运行时具有相同的步距角。
上图中的两相单极型线圈在有些文献中也被称为四相步进电机,此时其转子极对数、齿数Nr,以及步距角θs均与双极型线圈相同。本课程两相电机的定义符合式θs=180°/PNr,即将转子齿数和步距角θs代入式θs=180°/PNr,如P=2,则为两相电机,如Nr相同,P=4,步距角θs只有1/2,则电机为四相电机,在此特别提请注意。
两相步进电机现在应用广泛,实际电机的构造比图(PM双极型两相步进电机结构与运行原理)复杂,定子除采用叠片外,还有爪极结构,但基本原理可参考图(PM双极型两相步进电机结构与运行原理),图中所示的转子被称为PM型(永久磁铁或永磁式)转子,磁性圆柱的外表面形成转子磁极。
3、三相步进电机
转子不采用永久磁铁的步进电机(VR型或反应式或变磁阻式)很早就在三相步进电机上得到应用。1986年日本伺服公司开发了转子为永久磁铁、定子磁极带有齿的步进电机(在后面会详细介绍磁极齿的设计原理),定、转子齿距的配合,可以得到更高的角分辨率和转矩。三相步进电机定子线圈的主极数为三的倍数,故三相步进电机的定子主极数为3、6、9、12 等。
转子不采用永久磁铁的步进电机(VR型或反应式或变磁阻式)很早就在三相步进电机上得到应用。1986年日本伺服公司开发了转子为永久磁铁、定子磁极带有齿的步进电机(在后面会详细介绍磁极齿的设计原理),定、转子齿距的配合,可以得到更高的角分辨率和转矩。三相步进电机定子线圈的主极数为三的倍数,故三相步进电机的定子主极数为3、6、9、12 等。
下图为不同相数的步进电机典型定子结构和驱动威廉希尔官方网站 的比较,其中忽略了转子结构图。假设转子均为PM型或HB型,并且依据定子为两相、三相、五相等配备相应的转子。定子采用不产生不平衡电磁力(在后面会详细介绍,转子径向吸引力的和不能完全互相抵消,产生剩余径向力)的最小主极数结构,即两相为4个主极、三相为3个主极、五相为5个主极时,结构上会产生不平衡电磁力,除特殊用途外不会使用上述结构。图中,定子的结构为两相为8个主极、三相为6个主极、五相为10个主极,为最简单的结构。
另一方面,如双极型(Bi-polar)线圈所使用的步进电机驱动威廉希尔官方网站 ,其功率管数,两相为8个、五相为10个,三相则由于绕组采用Y或△接法的关系,3个出线口的驱动只用6个功率管就够了,所以从电机和驱动器一体考虑,三相步进电机结构最简单,其两者的制造成本最低。
从定子相数的奇偶数来看,奇数情况下驱动威廉希尔官方网站 中切换功率管的数量要比偶数情况下少,例如三相步进电机要比两相步进电机的驱动功率管数少。三相的驱动IC现在三权电气公司、三洋电机公司、新电元工业公司等生产企业已经有售。三相步进电机与两相步进电机比较,在相同的转子齿数时,具有提高1.5倍分辨率、振动低等优点,所以使用数量会增加,价格会降低,希望其能成为一款系列化步进电机,其性能将在后面详细介绍。
有关三相永磁式步进电机,除本课程外,以前还没有系统介绍的文献, 本课程将详细介绍三相HB型步进电机(42mm及60mm),其驱动器的外形如下图所示。
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