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步进电机的单极与双极驱动都有不同的性能属性差异

发布时间:2022-05-26 16:06:10点击量:

 步进电机可配置为单极或双极驱动;每种方法都有不同的性能属性和权衡。本文的前一部分介绍了用于单极和双极步进电机配置的不同线圈绕组和连接的基础知识。与大多数工程情况一样,接下来的问题是:这些差异的影响是什么?每种方法的优缺点是什么?


 使用单极控制时,一次只为半相供电,因此电流仅使用总铜绕组体积的一半,而双极驱动器每相使用所有铜。这对成本和重量与性能有关系,速度和扭矩性能通常是关键参数。


 转矩与驱动电流和线圈匝数的乘积成正比。转数越高,扭矩越高,但在高速下“趋于平稳”,限制了步进电机有效运行并提供所需扭矩的最大速度。原因是线圈自感限制了电机驱动电流的变化率,从而限制了更高速度下的扭矩。另一方面,匝数越少,自感越小,因此在较低速度下扭矩较小,但在较高速度下保持不变(图1)。

步进电机的单极与双极驱动都有不同的性能属性差异(图1)

 请注意,转矩也与速度和电感成反比关系:


 转矩α电机电源电压/(电机速度×√电机电感)


 从建模的角度来看,与电压相关的分析可能难以解决,因为电机线圈是电流驱动的磁性设备;当由电压源驱动时,施加的驱动电压和产生的线圈电流之间的关系是非线性的并且模型复杂。


 由于更有效地使用线圈绕组,双极电机通常比单极电机具有更大的扭矩并且效率更高。相比之下,单极电机在给定时间仅使用每个绕组线圈的一半,从而导致较低的扭矩和效率。


 甚至双极电机也提供了权衡配置的选择,因为它们的线圈可以“双极串联”或“双极并联”连接。双极系列使用全线圈绕组,因此电机可以提供比单极更大的扭矩(图2)。然而,因此,线圈的电感也增加了四倍,因此扭矩(很大程度上受电感的限制)会下降,并且在更高的速度下会迅速下降。

步进电机的单极与双极驱动都有不同的性能属性差异(图2)

 另一种选择是双极并联布线方法,它使用完整的线圈,但与单极布置相比,扭矩增加了约40%(图3)。并联线圈提供较低的电感,因此扭矩可以保持在更高的速度。[回想一下电路基础知识:电感值与电阻值相结合。当电感串联时,总电感为各个电感之和;当电感并联时,总电感小于任何单个电感的电感]

步进电机的单极与双极驱动都有不同的性能属性差异(图3)

 然而,在获得这个额外的扭矩时没有“免费午餐”,因为供应的电流也必须增加约40%。这会影响电机驱动组件的尺寸和散热方面。在许多设计中,双极并联的低电感、大电流和扭矩以及低电压使其成为最佳整体扭矩性能的良好组合。


 供应商只提供一种类型的电机,所有可能的线圈端都“暴露”并且可用,这样用户可以将步进电机线圈配置为所需的任何排列,从而简化材料清单和库存,这似乎是明智的。这有点类似于现场可编程门阵列(FPGA)。


 毕竟,六线电机可以单极或双极串联,八线电机可以单极、双极串联或双极并联。有时会这样做,供应商通常会提供配置图表,显示需要将哪些导线连接到其他导线以创建各种配置。


 当然,一般的电机还有很多,尤其是步进电机。这些电机的大多数供应商都提供电路板产品线,因此可以客观地获得合适的配合,而不是“强制”解决方案。由于他们知道许多设计人员不是电机参数权衡方面的专家,因此他们提供了有关步进电机基础知识、尺寸、选择、散热考虑、优化和其他主题的有用应用说明;这种材料大部分是独立于供应商的,适用于任何供应商的电机。他们还有应用工程师,他们是电机选择和使用的定性现实以及定量规格方面的专家。

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