步进电机是一种由称为“相位”的连接线圈组成的无刷直流电机。这些机电设备通常是在没有反馈传感器的开环驱动,电流施加在相位上而不知道转子位置。转子通过两相流动的电流所产生的定子磁通量来对齐。在每一个脉冲,电流可以供应到下一阶段,允许增量旋转运动或步骤。

图1所示。四步步电动机。

在线圈中提供电流有两种方法:双极和单极。这篇文章将解释双极和单极电机的区别,它们的驱动方法,以及优点和局限性。

图1显示了一个四步,永磁步进电机。转子由一个单极对磁铁组成,定子由两相组成:a相和b相。在单极法中,电流总是沿同一方向流动。每个线圈专用于一个电流方向,所以要么线圈A+或A-供电;A+或A-线圈从不一起供电。在双极法中,电流可以在所有线圈中双向流动。阶段A+和阶段A-是一起供电的。一个双极电机需要一个最小线圈每相位和一个单极电机需要两个最小线圈每相位。以下是两个选项的详细介绍:

单极电机结构

在单极配置中,每个电机相由两个线圈绕组组成。采用a相和B相组成的两相电机,电机有四个线圈绕组,如图2所示。

  • A相由A+, A-组成

  • B相由B+、B-组成

图2。单极电机及驱动结构。

每个线圈中的电流只能在一个方向流动,使其单极。在电压驱动中,控制系统很简单,每个线圈只有一个开关或晶体管。当晶体管闭合时,线圈就供电。为了换向电动机,晶体管交替地关闭和打开。

图3。单极驱动电路。(左)A+ Q1关闭,(右)Q2打开。

在图3中,晶体管Q1和Q2不能同时闭合。为了给Phase A通电,你必须关闭晶体管Q1或Q2,这取决于你需要电流工作的方向。单极控制一次只供电一半的相位,所以电流只使用一半的铜体积。在电压驱动中,串联电阻通常用于降低电时间常数。本文后面将对此场景进行解释。

双极电机结构

双极电机每相只需一个线圈,电流可以双向流动。需要8个带两个h桥的晶体管来控制双极电机,如图4所示。

图4。双极电机和驱动结构。

在图5中,晶体管交替关闭和打开以提供换向。双极驱动的优点是每相使用所有的铜。这些双极驱动器用于电机的电压驱动或电流源。对于电流源,每个相位的电流由脉宽调制(PWM)控制。两种技术用于PWM:慢衰减或快速衰减,取决于电流是否应该在PWM“关闭”时间内缓慢或快速地通过电机相位减少。

图5。双极驱动电路。(左)A+, Q2, Q3关闭;Q1,第四季度开业。(右)A-, Q1, Q4关闭;Q2、Q3打开。

优势和局限性

电压驱动。一个带有四个晶体管的简单电路提供了性价比高的单极控制。双极电机的电压驱动需要两个h桥(八个晶体管)。

当前驱动器。双极模式更适合于电流驱动,因为单极技术需要更复杂的电子技术来实现更低的电机性能。

电压驱动的预防措施。由于电感效应,线圈中的电流需要一段时间才能上升。对于单极或双极驱动器,您可以添加一个串行电阻,以降低电气时间常数(L/R)。通过增加一个外部电阻,电流减小(i = U/(R+ R))。

综上所述,在相同的供电条件下增加电阻,可以在低速时降低转矩。由于外阻中耗散的焦耳功率,电流较低。由于转矩与电流成正比,电机将提供更少的转矩。在高速时,它会产生更大的扭矩。即使一些焦耳功率耗散在外部电阻,电机将能够提供更多的扭矩,感谢较低的电气时间常数。这使得电流在线圈中上升得更快。(注:增加电源电压,可以补偿较低的电流;然而,总体能源效率将会降低。高速时扭矩提高,低速时扭矩保持不变。

保持转矩

保持扭矩是电机所能保持的最大扭矩。保持转矩与转矩常数和相中电流成正比。

T持有马克斯k

在哪里

  • T持有马克斯为持力矩(Nm)

  • k为转矩常数(Nm/A)

  • 为相(A)中的电流

通过增加线圈匝数或增加电流可以产生更高的转矩。增加电流会由于焦耳损耗损耗(P焦耳R2).电流供应受到线圈的热容量的限制。线圈温度通常可以达到线圈的最大允许温度-通常100°C或150°C,取决于电机类型。

让我们看看两种组合(图6)的焦耳损失,考虑一个相位ON:

考虑到每个线圈都有自己的电阻、电感和扭矩常数,如果两种情况下的焦耳损耗相同,P焦耳biP焦耳大学P0,我们将有:

图6。焦耳损失计算。

在消耗相同焦耳损耗的情况下,双极电机比单极驱动多产生√2(≈40%)的转矩。对于相同的电力,双极驱动比单极驱动得到更好的结果。

动态模式

前面的演示表明,当相同的功率耗散时,双极电机可以提供40%以上的扭矩。然而,在高速电压驱动下,单极电机可以提供比双极电机更高的扭矩,因为电流可以在线圈中流动得更快。图7提供了一个示例。

图7。拉出扭矩与速度的关系。

电线和电机连接

双极电机通常有四根电线,而单极电机有八根电线,如果中点没有连接(图8)。

图8。线连接。

八线

如果单极电机有八根线,它可以通过连接半相转换成双极版本。线圈可以串联或并联。两种选择具有相同的电机调节(R/k2)和相同的转矩性能,为相同的电力。

图9。串联和并联线圈连接的区别。

串行装置的电阻是并行装置的四倍。串行连接所需的电流是并联连接的两倍,电压是并联连接的一半。一个串行或并行连接将匹配电源。

图10。单极和双极组装的比较。

让你比较

图10中的表格展示了单极和双极组件的优点。单极控制在过去很受欢迎,但由于成本的提高,双极控制在目前的驱动中变得更加普遍。对于电压驱动,单极控制仍然是一个划算的选择。

本文作者是宾夕法尼亚州西切斯特Portescap的应用工程师Clemence Muron。欲了解更多信息,请访问在这里


运动设计杂志

本文首次发表于2021年8月号运动设计杂志。

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