步进电机单极驱动与双极驱动比较

VR型步进电机定子磁极吸引转子时,由于转子磁极为永久磁极,有磁化的N极和S极,不论定子绕组激磁所产生极性为N极还是S极均会产生吸引力。定子磁极激磁为N极时,吸引S极性转子磁极,激磁S极性的定子磁极会吸引转子的N磁极。因此,定子磁极需要极性的切换。

激磁定子磁极的线圈为单线圈绕组,磁极正反切换,则电流需正反向 流因此驱动电路为双极方式。磁极上绕有两个线圈组成双线圈,一个线圈直流通电产生的极性,与另一个线圈直流通电产生的极性相反,此为单极方式。下图表示单极方式与双极方式的简图,即在1个主极上的绕线方式。

步进电机单极与双极绕组

单极方式时,两个绕组同时绕制,如上图所示,一个线圈的终端是另一个线圈始端,它们共用一点。单极式时,C端接电源正极、A端接电源负极,或C端接正、A端接负的两种激磁状态下,定子主极及其前端的齿会产生相反的极性。

单极方式必须要注意,A端子与“杠A”端子如同时通电,主极的合成磁通互相抵消,只产生线圈的铜耗。

下图表示单极和双极的两相驱动电路及其电压波形,两相式通常用两相激磁方式(通常两个相同时加激磁电压)。

步进电机单极与双极电路与电压波形

比较单极式与双极式的驱动电路,单极式驱动电路功率管用4个,线圈电流在线圈内单一方向流动。相对的双极式的驱动电路功率管的个数为单极式的2倍,需要8个。正向与反向的电流在线圈内正反向交替流过,Tr1与Tr4或Tr3与Tr2同时而且交替导通。Tr1与Tr3即使短时同时导通,也会造成电源短路,产生很大的电流,因此有必要附加防止短路电路,双极式的驱动电路比单极的情况要复杂。

低速时的效率双极式比较好,第一张图所示的单极式与双极式的导线线径相同,单极情况的线圈匝数为N,其电阻为R,相对双极的匝数为2倍的2N,线圈电阻也变成2R。下表表示恒压驱动电路在低速时,对单极与双极驱动工作效率的比较。电流与线圈匝数之积称为安匝,与转矩成正比,两者如转速相同,输出功率也与其有比例关系。由于低速时,电抗小,电抗如果忽略不计,V/R即为电流,与N之积VN/R变成安匝数。同样,双极电流为V/2R,匝数也为2N,此积与单极情形相同为VN/R。输入恒压驱动的情形,双极与单极比较,如下表所示,电流只有单极的1/2,低速时的效率为单极的2倍。

步进电机单极与双极驱动的效率

小型化或低速时,要产生大转矩的情况,应使用双极式驱动,但驱动电路复杂。高速驱动的情况,因双极式匝数多的关系,电感变大,使高速时电流减少,从而降低转矩,所以需要注意与单极式的转矩比较。

下图为单极式步进电机及其线圈不使用中间抽头,两个线圈串联做双极式驱动的单极式与双极式的特性曲线,均采用同一恒电流驱动方式。一般低速大转矩的负载使用双极式驱动,而高速驱动应用以单极式驱动较适合。

步进电机单极与双极驱动的频率-转矩特性曲线

上图实际上是铜耗不同的频率-转矩特性。下图为尺寸大小相同的HB型两相步进电机,用同一线径线圈绕制的单极式与双极式,铜耗即线圈电阻与额定电流平方之积相同时的频率-转矩特性曲线比较。双极式的匝数是单极式的两倍,电阻是单极式的两倍,电感约为单极式的四倍。

低速时双极式的输出转矩比单极式约大50%,但由于电感大的关系,脉冲频率增加时,高速转矩变小,故针对负载的大小、使用速度、加速时间等,有必要合理选择单极式或双极式的驱动应用场合。

步进电机单极与双极驱动的转矩特性比较(铜耗相同的情况下)

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