2 相和 5 相步進(jìn)電機(jī)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)在是決定 2 相還是 5 相的時(shí)候了？ORIENTAL MOTOR 制造兩相 (1.8°/0.9°) 和五相 (0.72°/0.36°) 步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。我們?cè)谶@兩種技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)為我們提供了獨(dú)特的視角。ORIENTAL MOTOR 進(jìn)行了逐項(xiàng)快速比較，以澄清 2 相與 5 相爭(zhēng)論的困惑和迷思。該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。ORIENTAL MOTOR 經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)支持人員也可以為這兩種技術(shù)提供更深入的解釋。

2相，5相，有什么區(qū)別？

2 相和 5 相步進(jìn)電機(jī)之間有兩個(gè)主要區(qū)別。第一個(gè)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 和永磁體。在二相電機(jī)中，定子由 8 個(gè)帶小齒的磁極組成，而五相電機(jī)定子由 10 個(gè)磁極組成。定子中的每個(gè)磁極均設(shè)有繞組。

2 相和 5 相的第二個(gè)區(qū)別是相數(shù)。兩相電機(jī)有兩個(gè)相，“A”相和“B”相，而五相電機(jī)有五個(gè)相。本質(zhì)上，相數(shù)是指按順序通電以吸引轉(zhuǎn)子的不同磁極組合。

2相和5相頭對(duì)頭

這些差異如何影響性能？步進(jìn)電機(jī)的性能涉及許多因素。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方法有很多種，而驅(qū)動(dòng)器會(huì)極大地影響電機(jī)的性能。Wave Drive、Full Step、Half Step 和 Microstep 是最常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方法，每種方法都提供截然不同的性能。在不考慮各種驅(qū)動(dòng)方法的情況下，這里是 2 相和 5 相步進(jìn)電機(jī)的關(guān)鍵性能領(lǐng)域。

解決

在結(jié)構(gòu)上，5 相步進(jìn)電機(jī)與 2 相電機(jī)沒(méi)有太大區(qū)別。兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子都有 50 個(gè)齒。不同之處在于，因?yàn)?5 相電機(jī)有 10 個(gè)極，每相 2 個(gè)，轉(zhuǎn)子只需移動(dòng) 1/10 齒距即可與下一相對(duì)齊。在 2 相電機(jī)中，轉(zhuǎn)子必須移動(dòng) 1/4 個(gè)齒距以與下一相對(duì)齊（8 極，每相 4 個(gè)）。

這導(dǎo)致 2 相每轉(zhuǎn) 200 步，每步 1.8°，而 5 相每轉(zhuǎn) 500 步，每步 0.72°。5 相分辨率的提高是其設(shè)計(jì)所固有的。當(dāng)與微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合使用時(shí)，5 相電機(jī)的步距可小至 0.00288°，但位置精度和重復(fù)精度仍受限于電機(jī)的機(jī)械精度。2 相和 5 相電機(jī)的機(jī)械精度均為 ± 3 弧分 (0.05°)。

振動(dòng)

由于 5 相步進(jìn)電機(jī)的步距角更小，0.72° 與 2 相電機(jī)的 1.8° 相比，5 相電機(jī)的振動(dòng)遠(yuǎn)小于 2 相電機(jī)。右圖顯示了 5 相電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)與 2 相步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)。如您所見(jiàn)，兩相電機(jī)會(huì)產(chǎn)生更大的振動(dòng)。

*右側(cè)的圖表表示每轉(zhuǎn) 5K 步的微步進(jìn)。這些圖表是通過(guò)將發(fā)電機(jī)連接到雙軸電機(jī)創(chuàng)建的。當(dāng)電機(jī)振動(dòng)時(shí)，生成的電壓被繪制成圖表。電機(jī)振動(dòng)越大，產(chǎn)生的電壓就越大。

力矩

雖然 2 相步進(jìn)電機(jī)和 5 相步進(jìn)電機(jī)的輸出扭矩之間幾乎沒(méi)有差異，但 5 相電機(jī)確實(shí)具有更多“可用”扭矩。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 5 相步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上增加了高達(dá) 10% 的扭矩，因?yàn)楦嗟南啾煌?。?dāng)半步進(jìn)和微步進(jìn)時(shí)，兩相電機(jī)會(huì)損失高達(dá) 40% 的扭矩，但是，許多兩相驅(qū)動(dòng)器通過(guò)過(guò)驅(qū)動(dòng)相反的扭矩矢量來(lái)補(bǔ)償。

當(dāng)定子通電時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)吸引轉(zhuǎn)子磁通量的電磁鐵。磁通量可以分解為兩個(gè)矢量，一個(gè)是法向矢量，一個(gè)是切向矢量。僅當(dāng)存在切向分量時(shí)才會(huì)產(chǎn)生扭矩。下圖描述了切向通量的存在。

在?圖 1中，轉(zhuǎn)子齒與定子齒直接對(duì)齊，磁通只有法向分量，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)，??電機(jī)會(huì)產(chǎn)生扭矩。我們將此扭矩稱(chēng)為負(fù)扭矩，因?yàn)榕ぞ卦噲D將牙齒拉回到穩(wěn)定位置。在?圖 5中，磁通在定子齒之間均勻分配，沒(méi)有產(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)，會(huì)產(chǎn)生正扭矩。最后，轉(zhuǎn)子齒與下一個(gè)定子齒直接對(duì)齊（圖 1）。

電機(jī)的每一相都為電機(jī)的總輸出扭矩貢獻(xiàn)正弦形扭矩位移曲線（如下圖所示）。峰值和谷值之間的差異稱(chēng)為扭矩波動(dòng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)引起振動(dòng)，因此差異越大，振動(dòng)越大。

隨著更多相位對(duì)電機(jī)總扭矩的貢獻(xiàn)，5 相電機(jī)的扭矩紋波比 2 相電機(jī)大大降低。2 相電機(jī)的峰值和谷值之間的差異可高達(dá) 29%，而 5 相電機(jī)僅為 5% 左右。由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)直接導(dǎo)致振動(dòng)，因此 5 相電機(jī)比 2 相電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)。

兩相扭矩位移

五相力矩排量

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。電氣錯(cuò)誤是由相位不平衡引起的。例如，電機(jī)的繞組電阻規(guī)格為±10%，可能電機(jī)額定功率為10W，但一相可能為9.2W，另一相可能為10.6W。相之間的這種差異會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子比另一相更朝向一相對(duì)齊。

機(jī)械誤差有幾個(gè)組成部分，主要的一個(gè)是齒形。雖然電機(jī)上的齒應(yīng)該是方形的，但沖壓工藝和模具的使用年限可能會(huì)導(dǎo)致某些齒或齒的一部分變圓。當(dāng)齒變圓時(shí)，磁通量不是直接流動(dòng)，而是可以流動(dòng)到別處。因此，這些因素會(huì)影響電機(jī)的精度。

使用全步驅(qū)動(dòng)器，兩相電機(jī)每 4 步重復(fù)一次狀態(tài)，而在 5 相電機(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錯(cuò)誤在 2 相中每 4 步和 5 相中每 10 步被否定，只留下機(jī)械錯(cuò)誤。

一旦電機(jī)完成完整的 360° 旋轉(zhuǎn)，同一個(gè)齒現(xiàn)在在原始起點(diǎn)處對(duì)齊，消除了機(jī)械誤差。由于 2 相電機(jī)每轉(zhuǎn) 200 步，每 200 步幾乎完美，而 5 相電機(jī)每轉(zhuǎn) 500 步，每 500 步幾乎完美。

同步性

由于 5 相步進(jìn)電機(jī)每步僅移動(dòng) 0.72°，因此 5 相電機(jī)幾乎不可能因過(guò)沖/下沖而錯(cuò)過(guò)一步。當(dāng)轉(zhuǎn)子上的齒與定子上的正確齒不對(duì)齊時(shí)，電機(jī)將失去同步或錯(cuò)過(guò)一步。什么會(huì)導(dǎo)致牙齒排列不齊？首先，為了使轉(zhuǎn)子齒不能正確對(duì)齊，另一個(gè)齒必須對(duì)齊到它應(yīng)該對(duì)齊的位置。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，轉(zhuǎn)子必須有超過(guò) 3.6° 的上沖（超過(guò)正確的定子齒）或下沖（沒(méi)有移動(dòng)足夠遠(yuǎn)以與正確的定子齒對(duì)齊）。為什么是 3.6°？好吧，因?yàn)檗D(zhuǎn)子齒被磁力吸引，正確的齒需要超過(guò)定子齒之間的一半才能對(duì)齊（轉(zhuǎn)子齒之間的 7.2° 除以 2 得到 3.6°）。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子超出正確的定子齒超過(guò) 3.6° 時(shí)，下一個(gè)齒將在其位置對(duì)齊，從而導(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)子齒將與定子齒保持對(duì)齊并且轉(zhuǎn)子不會(huì)旋轉(zhuǎn)，這意味著您錯(cuò)過(guò)了一步。

驅(qū)動(dòng)方式

2 相和 5 相步進(jìn)電機(jī)都有多種驅(qū)動(dòng)方法。以下是整步和微步驅(qū)動(dòng)器概念的快速概述。

兩相全步系統(tǒng)（1.8°/步）

2-Phase Full Step 系統(tǒng)同時(shí)為 A 相和 B 相通電，并在正負(fù)之間切換以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。

5 相全步系統(tǒng)（五邊形 4 相勵(lì)磁）（0.72°/步）

4相勵(lì)磁??系統(tǒng)是5相電機(jī)獨(dú)有的，運(yùn)行更穩(wěn)定。

微步進(jìn)

微步驅(qū)動(dòng)器通過(guò)將電流減小到一個(gè)相位，同時(shí)將電流遞增到下一相位來(lái)劃分電機(jī)的基本步距角。這導(dǎo)致電機(jī)采取更小的步驟。使用微步驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)的基本步可以分為 1/1 到 1/250 范圍內(nèi)的更小步。

右邊的插圖代表了微步進(jìn)的基本概念。

圖 1 ?- A 相電流為 100%，因此轉(zhuǎn)子直接對(duì)齊。

圖 2 ?- A 相的電流減少到 75%，而 B 相現(xiàn)在有 25% 的電流。

圖 3 ?- A 相和 B 相的電流均為 50%，因此轉(zhuǎn)子直接排列在兩者的中間。

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

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

通過(guò)在此示例中對(duì)電機(jī)進(jìn)行微步進(jìn)，我們將 5 相步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)基本 500 步除以 5，將其增加到每轉(zhuǎn) 2,500 步。電機(jī)的分辨率現(xiàn)在為 0.144°。

與其他驅(qū)動(dòng)器相比，微步進(jìn)不僅提供了更高的分辨率，還確保了更平穩(wěn)的運(yùn)行、更低的振動(dòng)和更低的噪音。

結(jié)論

根據(jù)您的特定應(yīng)用，兩相電機(jī)可能就足夠了。然而，與 2 相步進(jìn)電機(jī)相比，5 相步進(jìn)電機(jī)提供更高的分辨率、更低的振動(dòng)、更高的加速和減速速率（由于步距角更小），并且不太可能因過(guò)沖/下沖而失去同步。對(duì)于要求高精度、低噪音和低振動(dòng)的應(yīng)用，5 相是更好的技術(shù)。

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　　審核編輯：湯梓紅