步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)：PM vs VR vs Hybrid

市場(chǎng)上的步進(jìn)電機(jī)主要分為三種類型：PM(永磁)型、VR(可變磁阻)型和混合型。有什么區(qū)別，您應(yīng)該使用哪一個(gè)，它們是如何工作的?

讓我們快速回顧一下步進(jìn)電機(jī)的作用。步進(jìn)電機(jī)以特定的“步數(shù)”增量旋轉(zhuǎn)，無(wú)需編碼器反饋或復(fù)雜的 PID 回路。旋轉(zhuǎn)量和速度可通過(guò)脈沖數(shù)和頻率輕松控制，步進(jìn)電機(jī)可提供±3 弧分 (±0.05°)的高度可重復(fù)停止精度。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)通電但處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，在沒(méi)有電磁制動(dòng)器的情況下會(huì)產(chǎn)生保持轉(zhuǎn)矩。它們非常適合電機(jī)需要準(zhǔn)確停止并提供保持扭矩的成本敏感型應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)會(huì)影響其特性。在接下來(lái)的幾分鐘內(nèi)，我將介紹市場(chǎng)上的三種步進(jìn)電機(jī)，以及為什么偏愛(ài)其中一種。

PM“永磁”型

這是一種步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子由兩個(gè)彼此略微偏移的永磁體轉(zhuǎn)子制成。永磁體軸向充磁;這意味著北極和南極交替出現(xiàn)并且與電機(jī)軸位于同一軸線上。 當(dāng)電流施加到繞組時(shí)，定子上的磁極被磁化并與永磁轉(zhuǎn)子的相反磁極對(duì)齊。例如，北極將與南極直接對(duì)齊。

廣泛使用的 PM 型步進(jìn)電機(jī)是 2 相爪形電機(jī)，如下所示。

下圖顯示了一個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子，其中施加了電流，因此 A1 極被磁化為南極，A2 極被磁化為北極，因此吸引了轉(zhuǎn)子永磁體的相反磁極。如果電流從A相切換到B相，使B1磁化為南極，B2磁化為北極，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。

步距角使用轉(zhuǎn)子的極數(shù) (Np) 和相數(shù) (Nphase) 表示如下。如果極數(shù)或相數(shù)增加，則步距角將減小。但是，隨著極數(shù)的增加，磁力和轉(zhuǎn)矩也變?nèi)酢?/p>

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PM 型步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低。永磁體允許 PM 型步進(jìn)電機(jī)輸出更高的扭矩。然而，由于旋轉(zhuǎn)過(guò)程中損耗大，高速性能受到限制。PM 型步進(jìn)電機(jī)通常用于簡(jiǎn)單定位，因?yàn)樗姆直媛释笥谄渌愋?即：3.6° 或更大)。對(duì)于更高分辨率，建議使用半步或微步。 通過(guò)微步進(jìn)，驅(qū)動(dòng)器精確控制每相電流的能力在確定電機(jī)的重復(fù)位置精度方面變得越來(lái)越重要。另一個(gè)區(qū)別是 PM 型步進(jìn)電機(jī)使用恒壓驅(qū)動(dòng)器，它比恒流斬波驅(qū)動(dòng)器更難使用。

VR“可變磁阻”型

這是一種步進(jìn)電機(jī)，在磁力集中的轉(zhuǎn)子和定子上提供齒。它提供了此處討論的三種類型中最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。下圖顯示了一個(gè) 8 極 12 槽的 3 相 VR 型步進(jìn)電機(jī)。大多數(shù)磁芯都使用鐵等鐵磁材料，因?yàn)樗诘厍蛏蟽?chǔ)量豐富，并且能夠輕松通過(guò)磁通量。VR型步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有磁鐵，這意味著它不能輸出靜止時(shí)的保持扭矩或制動(dòng)扭矩。

下圖顯示了 4 極 6 槽 VR 型步進(jìn)電機(jī)的示例。轉(zhuǎn)子上的“齒”被吸引到定子上的磁極。轉(zhuǎn)子每一側(cè)的定子磁極通過(guò)反向纏繞磁極來(lái)磁化南北。

在下圖中，我們?cè)谧髠?cè)顯示了“B 相激發(fā)”狀態(tài)。在這種情況下，離轉(zhuǎn)子最近的齒將與定子上最近的磁極對(duì)齊。轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 30°，直到齒彼此對(duì)齊(參見(jiàn)“B 相的停止位置”)?，F(xiàn)在，當(dāng) C 相以同樣的方式被激勵(lì)時(shí)，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn) 60°，直到齒與 C 相對(duì)齊。

B相激發(fā)B相停止位置C相停止位置

VR型步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要改變定子磁極的極性，因此可以簡(jiǎn)化其驅(qū)動(dòng)電路。它的缺點(diǎn)是不能進(jìn)行精細(xì)的轉(zhuǎn)矩控制，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩與電流的平方成正比，而不是與電流成正比。但是，由于它不使用永磁體，因此其高速性能優(yōu)于 PM 型步進(jìn)電機(jī)。

VR型步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角用下式表示。Np是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，Nphase是相數(shù)。為了更精細(xì)的分辨率，增加轉(zhuǎn)子的齒數(shù)是有效的。然而，如果定子槽的數(shù)量也增加，則該結(jié)構(gòu)制造起來(lái)非常復(fù)雜。下圖顯示了 50 齒轉(zhuǎn)子和定子設(shè)計(jì)。這是一個(gè) 4 相步進(jìn)電機(jī)，線圈分為 4 組。輸入 Np = 50 和 Nphase = 4 將導(dǎo)致步距角為 1.8°。

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VR 型步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了。這些電機(jī)在電機(jī)速度較高時(shí)扭矩下降較小，因此在中高速應(yīng)用中，它們通常是比 PM 型步進(jìn)電機(jī)更好的選擇。然而，眾所周知它們會(huì)產(chǎn)生更多噪音，因此它們的應(yīng)用范圍受到限制。VR 型步進(jìn)電機(jī)在市場(chǎng)上不如 PM 型步進(jìn)電機(jī)常見(jiàn)。

混合式步進(jìn)電機(jī)

“混合”型步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了永磁型和可變磁阻型步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)點(diǎn)。因此，混合型步進(jìn)電機(jī)在其設(shè)計(jì)中同時(shí)使用永磁體轉(zhuǎn)子以及帶齒的轉(zhuǎn)子和定子。憑借強(qiáng)大的永磁體、帶齒轉(zhuǎn)子、帶齒定子和微小氣隙，混合式步進(jìn)電機(jī)能夠比其他兩種類型更好地集中磁通量。通過(guò)堆疊磁鋼疊片可以實(shí)現(xiàn)低損耗，磁通量很容易通過(guò)。

混合型步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造從兩個(gè)轉(zhuǎn)子杯(轉(zhuǎn)子 1 和轉(zhuǎn)子 2)和一個(gè)軸向磁化的強(qiáng)稀土永磁體開(kāi)始。兩個(gè)滾珠軸承將轉(zhuǎn)子安裝到電機(jī)外殼中。轉(zhuǎn)子上有 50 個(gè)齒(每步 1.8°)或 100 個(gè)齒(每步 0.9°)。一個(gè)轉(zhuǎn)子磁化為北極，一個(gè)轉(zhuǎn)子磁化為南極。轉(zhuǎn)子杯上的每個(gè)齒都成為磁極。

在下面的兩張圖片中，我們展示了兩個(gè)轉(zhuǎn)子的俯視圖;從頂部的北極轉(zhuǎn)子開(kāi)始。兩個(gè)轉(zhuǎn)子杯顏色不同。紅色是北極轉(zhuǎn)子，藍(lán)色是南極轉(zhuǎn)子。

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由于有 50 個(gè)齒，因此全齒距為 7.2°。兩個(gè)轉(zhuǎn)子杯偏移半個(gè)螺距 (3.6°)，因此轉(zhuǎn)子 1 的南極齒在轉(zhuǎn)子 2 的北極齒之間排成一行。從轉(zhuǎn)子的橫截面視圖中，您可以清楚地 看到由于兩個(gè)轉(zhuǎn)子杯的偏移，北極和南極齒交替出現(xiàn)。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)器給繞組通電或勵(lì)磁時(shí)，定子磁極變成電磁鐵，永磁體轉(zhuǎn)子通過(guò)拉力和推力跟隨它們，并以固定的增量停止。定子的北極將吸引轉(zhuǎn)子的南極，反之亦然。

定子中有八個(gè)定子極。當(dāng)繞組纏繞到主磁極并施加電流時(shí)，每個(gè)磁極都被磁化為北極或南極。電流的方向可以決定磁極。激發(fā)時(shí)，相對(duì)側(cè)的兩個(gè)極具有相同的極性，與這些極成 90° 的兩個(gè)極具有相反的極性。一起激發(fā)的主要磁極稱為“相”，可分為兩相(A相和B相)。這就是它被稱為“兩相”步進(jìn)電機(jī)的原因。

混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角與轉(zhuǎn)子上小齒數(shù)ZR和相數(shù)n成反比。分母2表示定子的主磁極可以配置成北極和南極兩種狀態(tài)。這是 VR 型和混合型步進(jìn)電機(jī)之間的根本設(shè)計(jì)差異。

牙齒排列偏移A相興奮B相激發(fā)

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混合型步進(jìn)電機(jī)每步旋轉(zhuǎn)1.8°的原因是由于轉(zhuǎn)子和定子之間的幾何設(shè)計(jì)，電機(jī)每步僅移動(dòng)四分之一齒距。當(dāng)A相勵(lì)磁為南極，其定子齒與轉(zhuǎn)子的北極齒直接對(duì)齊時(shí)，B相的定子齒實(shí)際上與轉(zhuǎn)子齒偏移1.8°。這稱為齒排列偏移，是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)每步旋轉(zhuǎn) 1.8° 的原因。

對(duì)于每步0.9°的步進(jìn)電機(jī)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子齒都需要增加到100。任何超過(guò)100齒的東西都很難制造。

對(duì)于混合式步進(jìn)電機(jī)，稀土永磁體可以獲得高扭矩，同時(shí)保持小齒獲得的高分辨率。另外，電流和扭矩之間的關(guān)系接近正比;使其比 VR 型步進(jìn)電機(jī)更易于控制。混合型步進(jìn)電機(jī)還可以獲得更高的分辨率(即：每整步 0.72°/每轉(zhuǎn) 500 步)。通過(guò)微步進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。

概括

PM(Permanent Magnet)型：使用永磁體，中等扭矩，中低速

VR(可變磁阻)類型：齒形轉(zhuǎn)子/定子，低扭矩，中高速

混合型：結(jié)合永磁體和齒，扭矩和速度的良好結(jié)合

市場(chǎng)上最受歡迎的步進(jìn)電機(jī)是混合型，因?yàn)樗峁┳罴研阅?，但成本較高。 混合式步進(jìn)電機(jī)適用于大多數(shù)應(yīng)用，而永磁或可變磁阻步進(jìn)電機(jī)僅限于某些應(yīng)用。近年來(lái)，由于步進(jìn)電機(jī)在功能、分布式控制和易于編程方面的技術(shù)改進(jìn)，它們變得越來(lái)越智能?？梢詾椴竭M(jìn)電機(jī)添加減速機(jī)和閉環(huán)反饋以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。與可以提供所有必要組件和培訓(xùn)的制造商合作可以讓生活更輕松。

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審核編輯：湯梓紅