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二相混合式步进电机和三相混合式步进电机的比较

2019-09-20

二相混合式步进电机和三相混合式步进电机的比较您已将运动控制解决方案的搜索范围缩小到步进电机。现在是时候决定,二相混合式步进电机还是三相混合式步进电机?精博电机生产二相(1.8°/ 0.9°)和三相(0.72°/ 0.36°)混合式步进电机和驱动器。我们提供的指南涵盖了两种技术在步进电机性能关键领域的基本差异:分辨率,振动,扭矩,精度和同步性。精博电机经验丰富的技术支持人员也可以对这两种技术进行更深入的解释。

二相混合式步进电机三相混合式步进电机的比较

 

您已将运动控制解决方案的搜索范围缩小到步进电机。现在是时候决定,二相混合式步进电机还是三相混合式步进电机?精博电机生产二相(1.8°/ 0.9°)和三相(0.72°/ 0.36°)混合式步进电机和驱动器。我们提供的指南涵盖了两种技术在步进电机性能关键领域的基本差异:分辨率,振动,扭矩,精度和同步性。精博电机经验丰富的技术支持人员也可以对这两种技术进行更深入的解释。

 

二相混合式步进电机和三相混合式步进电机之间有什么区别?

混合式步进电机结构

二相和三相混合式步进电机有两个主要区别。首先是机械的。步进电机基本上由两部分组成,定子和转子。转子又由三个部件组成; 转子杯1,转子杯2和yong久磁铁。在二相混合式步进电机中,定子由8个小齿的磁极组成,而5相电动机定子由10个磁极组成。定子中的磁极分别设置有绕组。

混合式步进电机结构

二相和三相之间的第er个区别是相数。二相电机具有二相,即“A”相和“B”相,而三相电动机具有三相。基本上,相数是指为了吸引转子而依次通电的不同极组合。

 

2相和5相头对头

这些差异如何影响绩效?步进电机的性能涉及许多因素。有许多方法可以驱动步进电机,驱动器会极大地影响电机的性能。Wave Drive,Full Step,Half Step和Microstep是最常见的驱动方法,每种方法都提供非常不同的性能。如果不考虑各种驱动方法,这里是2相和5相步进电机的关键性能领域。

 

解析度

在结构上,三相混合式步进电机与二相混合式步进电机没有什么不同。两个电机中的转子有50个齿。不同之处在于,由于三相电机有10个极,每相2个,因此转子只需移动1/10齿距即可与下一个相位对齐。在二相电动机中,转子必须移动1/4齿距以与下一相(8极,每相4个)对齐。

 

这导致二相每转200步,每步1.8°,而5相每转500步,每步0.72°。增加的三相分辨率是其设计所固有的。当与微步进驱动器配合使用时,三相电机可以制作小至0.00288°的步长,但是,位置精度和可重复性仍然取决于电机的机械精度。二相和三相混合式步进电机的机械精度为±3弧分(0.05°)。 

 混合式步进电机分辨率

振动

由于三相混合式步进电机的步进角较小,在二相电机中为0.72°而1.8°,因此三相电机的振动远小于二相。右图显示了三相混合式步进电机产生的振动与二相混合式步进电机产生的振动。如您所见,两相电机产生的振动更大。

 

*右边的图表表示每转三相混合式步进电机的微步进。这些图是通过将发电机连接到双轴电机而创建的。当电动机振动时,产生的电压被绘制成图形。电机振动越大,产生的电压越大。 

 混合式步进电机振动

扭力

虽然两相步进电机和五相步进电机的输出转矩之间几乎没有差别,但五相电机确实具有更多“可用”的转矩。这主要是由于两个电机产生的扭矩波动量。

 

半步或微步进三相混合式步进电机实际上会增加扭矩高达10%,因为更多的相被激励。当半步进和微步进时,二相电机将失去高达40%的扭矩,然而,许多二相驱动器通过过度驱动相反的扭矩矢量来补偿。

当定子通电时,它产生一个吸引转子磁通量的电磁铁。磁通量可以分为两个矢量,一个是正常的,一个是切向的。仅在存在切向分量时才产生扭矩。切向通量的存在如下图所示。

混合式步进电机的扭力

 

在图1中,转子齿与定子齿直接对齐,并且磁通仅具有正常分量,因此不产生扭矩。当转子齿从图2,3和4中  的定子齿移位时,电动机产生扭矩。我们将此扭矩称为负值,因为扭矩试图将齿拉回到稳定位置。在  图5中,磁通量在定子齿之间均匀分配,并且不产生扭矩。通过  图6,7和8 ,当移位的转子齿移动以与下一个定子齿对齐时,产生正转矩。zui后,转子齿与下一个定子齿直接对齐(图1)。

混合式步进电机角度与扭矩

 

步进电机角度与扭矩

 

电动机的每个相都将正弦形扭矩位移曲线贡献给电动机的总输出扭矩(如下图所示)。峰值和谷值之间的差异称为转矩波动。扭矩波动引起振动,因此差异越大,振动越大。

 

由于有更多的相位对电机的总转矩有影响,因此与二相电机相比,三相电机的转矩波动大大减小。二相电动机中峰值和谷值之间的差异可以高达29%,而5相仅为5%左右。由于转矩波动直接影响振动,因此三相电机比二相运行更平稳。

 

两相扭矩位移

二相扭矩位移

 

 

三相扭矩位移

三相扭矩位移

 

 

准确性/可重复性

精度有两个组成部分,电气和机械。相位不平衡会导致电气错误。例如,电机的绕组电阻规格为±10%,虽然电机额定功率为10W,但一相可能为9.2W,另一相可能为10.6W。相之间的这种差异将导致转子更多地朝向一相而不是另一相。

 

机械误差有几个组成部分,主要是齿形配置。尽管电动机上的齿应该是方形的,但是冲压过程和模具的老化可以使一些齿或齿的一部分变圆。而不是直接流动的磁通量,当齿被倒圆时,它可以流到别处。因此,这些因素有助于提高电机的精度。

 

使用全步驱动,二相混合式步进电机每4步重复一次,而在三相混合式步进电机中,状态每10步重复一次。由相位不平衡引起的任何电气误差在二相混合式步进电机中每4步取消,在5相中每10步消除,仅留下机械误差。

 

一旦电机完成360°旋转,相同的齿现在在原始起点处排成一行,消除了机械误差。由于2相电机每转200步,因此每200步几乎wan美,而5相电机每转500步,每500步几乎wam美。

混合式步进电机精度

同步

因为三相混合式步进电机每步仅移动0.72°,所以三相混合式步进电机几乎不可能由于过冲/下冲而错过一个步骤。当转子上的齿不与定子上的正确齿对齐时,电动机将失去同步或错过一步。什么会导致牙齿不正确对齐?首先,为了使转子齿不能正确对准,另一个齿必须在它应该的位置对齐。为了实现这一点,转子必须超过(超过正确的定子齿)或下冲(不能移动到足以与正确的定子齿对齐)超过3.6°。为什么3.6°?好吧,因为转子齿被磁性吸引,正确的齿需要在定子齿之间的一半以上对齐(转子齿之间的7.2°除以2得到3.6°)。因此,当转子超过正确的定子齿超过3.6°时,下一个齿将在其位置对齐,导致您跳过一个步骤。相反,如果转子未能移动超过3.6°,则当前转子齿将保持与定子齿对齐并且转子不会旋转,这意味着您错过了一个步骤。

混合式步进电机齿对准


 

驱动方法

对于二相和三相混合式步进电机,有许多驱动方法。以下是全步和微步驱动器概念的快速概述。

二相混合式步进电机(1.8°/步)

二相混合式步进电机为A相和B相供电,并在正负之间切换以产生旋转。

2阶段全步

三相混合式步进电机(五角大楼4相励磁)(0.72°/步)

四相励磁系统是三相混合式步进电机独有的,可提供更稳定的运行。

3阶段全步

微步驱动器通过将电流减小到一个相位来划分电机的基本步进角,同时以递增的方式将电流增加到下一个相位。这导致电机采取较小的步骤。使用微步驱动器,电机的基本步骤可分为1/1到1/250的较小步长。

 

图1  - A相为100%电流,因此转子直接排列。

图2  - 相A的电流降低到75%,而25%的电流现在处于B相。

图3  - A相和B相的电流均为50%,因此转子直接在两者中间排列。

图4  - A相现在为25%,B相为75%,因此转子靠近B相。

图5  - A相关闭,B相为100%,因此转子最终直接与B相对齐。

混合式步进电机微步图

通过在这个例子中微调电动机,我们将三相混合式步进电机每转的基本500步分为5,每转增加2,500步。电机的分辨率现在为0.144°。

微步进不仅提供更高的分辨率,还可确保比其他驱动器更平稳的操作,更低的振动和更低的噪音。

 

结论

根据您的具体应用,二相电机可能就足够了。然而,5相步进电机提供更高的分辨率,更低的振动,更高的加速和减速率(由于更小的步进角),并且与二相混合式步进电机相比,由于过冲/下冲而不太可能失去同步。对于要求高精度,低噪音和低振动的应用,三相是更好的技术。


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