二相混合式步進(jìn)電機(jī)和三相混合式步進(jìn)電機(jī)的比較

您已將運(yùn)動(dòng)控制解決方案的搜索范圍縮小到步進(jìn)電機(jī)?，F(xiàn)在是時(shí)候決定，二相混合式步進(jìn)電機(jī)還是三相混合式步進(jìn)電機(jī)？精博電機(jī)生產(chǎn)二相（1.8°/ 0.9°）和三相（0.72°/ 0.36°）混合式步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。我們提供的指南涵蓋了兩種技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)性能關(guān)鍵領(lǐng)域的基本差異：分辨率，振動(dòng)，扭矩，精度和同步性。精博電機(jī)經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)支持人員也可以對(duì)這兩種技術(shù)進(jìn)行更深入的解釋。

二相混合式步進(jìn)電機(jī)和三相混合式步進(jìn)電機(jī)之間有什么區(qū)別？

混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

二相和三相混合式步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)主要區(qū)別。首先是機(jī)械的。步進(jìn)電機(jī)基本上由兩部分組成，定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子又由三個(gè)部件組成; 轉(zhuǎn)子杯1，轉(zhuǎn)子杯2和yong久磁鐵。在二相混合式步進(jìn)電機(jī)中，定子由8個(gè)小齒的磁極組成，而5相電動(dòng)機(jī)定子由10個(gè)磁極組成。定子中的磁極分別設(shè)置有繞組。

二相和三相之間的第er個(gè)區(qū)別是相數(shù)。二相電機(jī)具有二相，即“A”相和“B”相，而三相電動(dòng)機(jī)具有三相?；旧希鄶?shù)是指為了吸引轉(zhuǎn)子而依次通電的不同極組合。

2相和5相頭對(duì)頭

這些差異如何影響績(jī)效？步進(jìn)電機(jī)的性能涉及許多因素。有許多方法可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)極大地影響電機(jī)的性能。Wave Drive，F(xiàn)ull Step，Half Step和Microstep是最常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方法，每種方法都提供非常不同的性能。如果不考慮各種驅(qū)動(dòng)方法，這里是2相和5相步進(jìn)電機(jī)的關(guān)鍵性能領(lǐng)域。

解析度

在結(jié)構(gòu)上，三相混合式步進(jìn)電機(jī)與二相混合式步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有什么不同。兩個(gè)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子有50個(gè)齒。不同之處在于，由于三相電機(jī)有10個(gè)極，每相2個(gè)，因此轉(zhuǎn)子只需移動(dòng)1/10齒距即可與下一個(gè)相位對(duì)齊。在二相電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子必須移動(dòng)1/4齒距以與下一相（8極，每相4個(gè)）對(duì)齊。

這導(dǎo)致二相每轉(zhuǎn)200步，每步1.8°，而5相每轉(zhuǎn)500步，每步0.72°。增加的三相分辨率是其設(shè)計(jì)所固有的。當(dāng)與微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器配合使用時(shí)，三相電機(jī)可以制作小至0.00288°的步長(zhǎng)，但是，位置精度和可重復(fù)性仍然取決于電機(jī)的機(jī)械精度。二相和三相混合式步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械精度為±3弧分（0.05°）。 

振動(dòng)

由于三相混合式步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角較小，在二相電機(jī)中為0.72°而1.8°，因此三相電機(jī)的振動(dòng)遠(yuǎn)小于二相。右圖顯示了三相混合式步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)與二相混合式步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)。如您所見(jiàn)，兩相電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)更大。

*右邊的圖表表示每轉(zhuǎn)三相混合式步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)。這些圖是通過(guò)將發(fā)電機(jī)連接到雙軸電機(jī)而創(chuàng)建的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的電壓被繪制成圖形。電機(jī)振動(dòng)越大，產(chǎn)生的電壓越大。 

扭力

雖然兩相步進(jìn)電機(jī)和五相步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩之間幾乎沒(méi)有差別，但五相電機(jī)確實(shí)具有更多“可用”的轉(zhuǎn)矩。這主要是由于兩個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的扭矩波動(dòng)量。

半步或微步進(jìn)三相混合式步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上會(huì)增加扭矩高達(dá)10％，因?yàn)楦嗟南啾患?lì)。當(dāng)半步進(jìn)和微步進(jìn)時(shí)，二相電機(jī)將失去高達(dá)40％的扭矩，然而，許多二相驅(qū)動(dòng)器通過(guò)過(guò)度驅(qū)動(dòng)相反的扭矩矢量來(lái)補(bǔ)償。

當(dāng)定子通電時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)吸引轉(zhuǎn)子磁通量的電磁鐵。磁通量可以分為兩個(gè)矢量，一個(gè)是正常的，一個(gè)是切向的。僅在存在切向分量時(shí)才產(chǎn)生扭矩。切向通量的存在如下圖所示。

在圖1中，轉(zhuǎn)子齒與定子齒直接對(duì)齊，并且磁通僅具有正常分量，因此不產(chǎn)生扭矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒從圖2,3和4中  的定子齒移位時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生扭矩。我們將此扭矩稱為負(fù)值，因?yàn)榕ぞ卦噲D將齒拉回到穩(wěn)定位置。在  圖5中，磁通量在定子齒之間均勻分配，并且不產(chǎn)生扭矩。通過(guò)  圖6,7和8 ，當(dāng)移位的轉(zhuǎn)子齒移動(dòng)以與下一個(gè)定子齒對(duì)齊時(shí)，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩。zui后，轉(zhuǎn)子齒與下一個(gè)定子齒直接對(duì)齊（圖1）。

步進(jìn)電機(jī)角度與扭矩

電動(dòng)機(jī)的每個(gè)相都將正弦形扭矩位移曲線貢獻(xiàn)給電動(dòng)機(jī)的總輸出扭矩（如下圖所示）。峰值和谷值之間的差異稱為轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。扭矩波動(dòng)引起振動(dòng)，因此差異越大，振動(dòng)越大。

由于有更多的相位對(duì)電機(jī)的總轉(zhuǎn)矩有影響，因此與二相電機(jī)相比，三相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大大減小。二相電動(dòng)機(jī)中峰值和谷值之間的差異可以高達(dá)29％，而5相僅為5％左右。由于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)直接影響振動(dòng)，因此三相電機(jī)比二相運(yùn)行更平穩(wěn)。

兩相扭矩位移

三相扭矩位移

準(zhǔn)確性/可重復(fù)性

精度有兩個(gè)組成部分，電氣和機(jī)械。相位不平衡會(huì)導(dǎo)致電氣錯(cuò)誤。例如，電機(jī)的繞組電阻規(guī)格為±10％，雖然電機(jī)額定功率為10W，但一相可能為9.2W，另一相可能為10.6W。相之間的這種差異將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子更多地朝向一相而不是另一相。

機(jī)械誤差有幾個(gè)組成部分，主要是齒形配置。盡管電動(dòng)機(jī)上的齒應(yīng)該是方形的，但是沖壓過(guò)程和模具的老化可以使一些齒或齒的一部分變圓。而不是直接流動(dòng)的磁通量，當(dāng)齒被倒圓時(shí)，它可以流到別處。因此，這些因素有助于提高電機(jī)的精度。

使用全步驅(qū)動(dòng)，二相混合式步進(jìn)電機(jī)每4步重復(fù)一次，而在三相混合式步進(jìn)電機(jī)中，狀態(tài)每10步重復(fù)一次。由相位不平衡引起的任何電氣誤差在二相混合式步進(jìn)電機(jī)中每4步取消，在5相中每10步消除，僅留下機(jī)械誤差。

一旦電機(jī)完成360°旋轉(zhuǎn)，相同的齒現(xiàn)在在原始起點(diǎn)處排成一行，消除了機(jī)械誤差。由于2相電機(jī)每轉(zhuǎn)200步，因此每200步幾乎wan美，而5相電機(jī)每轉(zhuǎn)500步，每500步幾乎wam美。

同步

因?yàn)槿嗷旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)每步僅移動(dòng)0.72°，所以三相混合式步進(jìn)電機(jī)幾乎不可能由于過(guò)沖/下沖而錯(cuò)過(guò)一個(gè)步驟。當(dāng)轉(zhuǎn)子上的齒不與定子上的正確齒對(duì)齊時(shí)，電動(dòng)機(jī)將失去同步或錯(cuò)過(guò)一步。什么會(huì)導(dǎo)致牙齒不正確對(duì)齊？首先，為了使轉(zhuǎn)子齒不能正確對(duì)準(zhǔn)，另一個(gè)齒必須在它應(yīng)該的位置對(duì)齊。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，轉(zhuǎn)子必須超過(guò)（超過(guò)正確的定子齒）或下沖（不能移動(dòng)到足以與正確的定子齒對(duì)齊）超過(guò)3.6°。為什么3.6°？好吧，因?yàn)檗D(zhuǎn)子齒被磁性吸引，正確的齒需要在定子齒之間的一半以上對(duì)齊（轉(zhuǎn)子齒之間的7.2°除以2得到3.6°）。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子超過(guò)正確的定子齒超過(guò)3.6°時(shí)，下一個(gè)齒將在其位置對(duì)齊，導(dǎo)致您跳過(guò)一個(gè)步驟。相反，如果轉(zhuǎn)子未能移動(dòng)超過(guò)3.6°，則當(dāng)前轉(zhuǎn)子齒將保持與定子齒對(duì)齊并且轉(zhuǎn)子不會(huì)旋轉(zhuǎn)，這意味著您錯(cuò)過(guò)了一個(gè)步驟。

驅(qū)動(dòng)方法

對(duì)于二相和三相混合式步進(jìn)電機(jī)，有許多驅(qū)動(dòng)方法。以下是全步和微步驅(qū)動(dòng)器概念的快速概述。

二相混合式步進(jìn)電機(jī)（1.8°/步）

二相混合式步進(jìn)電機(jī)為A相和B相供電，并在正負(fù)之間切換以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。

三相混合式步進(jìn)電機(jī)（五角大樓4相勵(lì)磁）（0.72°/步）

四相勵(lì)磁系統(tǒng)是三相混合式步進(jìn)電機(jī)獨(dú)有的，可提供更穩(wěn)定的運(yùn)行。

微步驅(qū)動(dòng)器通過(guò)將電流減小到一個(gè)相位來(lái)劃分電機(jī)的基本步進(jìn)角，同時(shí)以遞增的方式將電流增加到下一個(gè)相位。這導(dǎo)致電機(jī)采取較小的步驟。使用微步驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)的基本步驟可分為1/1到1/250的較小步長(zhǎng)。

圖1  - A相為100％電流，因此轉(zhuǎn)子直接排列。

圖2  - 相A的電流降低到75％，而25％的電流現(xiàn)在處于B相。

圖3  - A相和B相的電流均為50％，因此轉(zhuǎn)子直接在兩者中間排列。

圖4  - A相現(xiàn)在為25％，B相為75％，因此轉(zhuǎn)子靠近B相。

圖5  - A相關(guān)閉，B相為100％，因此轉(zhuǎn)子最終直接與B相對(duì)齊。

通過(guò)在這個(gè)例子中微調(diào)電動(dòng)機(jī)，我們將三相混合式步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)的基本500步分為5，每轉(zhuǎn)增加2,500步。電機(jī)的分辨率現(xiàn)在為0.144°。

微步進(jìn)不僅提供更高的分辨率，還可確保比其他驅(qū)動(dòng)器更平穩(wěn)的操作，更低的振動(dòng)和更低的噪音。

結(jié)論

根據(jù)您的具體應(yīng)用，二相電機(jī)可能就足夠了。然而，5相步進(jìn)電機(jī)提供更高的分辨率，更低的振動(dòng)，更高的加速和減速率（由于更小的步進(jìn)角），并且與二相混合式步進(jìn)電機(jī)相比，由于過(guò)沖/下沖而不太可能失去同步。對(duì)于要求高精度，低噪音和低振動(dòng)的應(yīng)用，三相是更好的技術(shù)。