讲解两相混合式步进电机及其驱动技术——结构、原理、技术指标

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一文解析三相步进电机与两相步进电机的差距在哪里

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。

一、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。

二、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电路的比较，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电路，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，奇数情况下驱动电路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。

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