步進電機基礎(chǔ)知識：PM vs VR vs Hybrid

市場上的步進電機主要分為三種類型：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，它們是如何工作的?

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

步進電機的設(shè)計會影響其特性。在接下來的幾分鐘內(nèi)，我將介紹市場上的三種步進電機，以及為什么偏愛其中一種。

PM“永磁”型

這是一種步進電機，其轉(zhuǎn)子由兩個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)并且與電機軸位于同一軸線上。 當(dāng)電流施加到繞組時，定子上的磁極被磁化并與永磁轉(zhuǎn)子的相反磁極對齊。例如，北極將與南極直接對齊。

廣泛使用的 PM 型步進電機是 2 相爪形電機，如下所示。

下圖顯示了一個轉(zhuǎn)子和一個定子，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 型步進電機結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。永磁體允許 PM 型步進電機輸出更高的扭矩。然而，由于旋轉(zhuǎn)過程中損耗大，高速性能受到限制。PM 型步進電機通常用于簡單定位，因為它的分辨率往往大于其他類型(即：3.6° 或更大)。對于更高分辨率，建議使用半步或微步。 通過微步進，驅(qū)動器精確控制每相電流的能力在確定電機的重復(fù)位置精度方面變得越來越重要。另一個區(qū)別是 PM 型步進電機使用恒壓驅(qū)動器，它比恒流斬波驅(qū)動器更難使用。

VR“可變磁阻”型

這是一種步進電機，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單的設(shè)計。下圖顯示了一個 8 極 12 槽的 3 相 VR 型步進電機。大多數(shù)磁芯都使用鐵等鐵磁材料，因為它在地球上儲量豐富，并且能夠輕松通過磁通量。VR型步進電機沒有磁鐵，這意味著它不能輸出靜止時的保持扭矩或制動扭矩。

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

在下圖中，我們在左側(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齊。轉(zhuǎn)子將逆時針旋轉(zhuǎn) 30°，直到齒彼此對齊(參見“B 相的停止位置”)。現(xiàn)在，當(dāng) C 相以同樣的方式被激勵時，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn) 60°，直到齒與 C 相對齊。

B相激發(fā)B相停止位置C相停止位置

VR型步進電機的一個優(yōu)點是不需要改變定子磁極的極性，因此可以簡化其驅(qū)動電路。它的缺點是不能進行精細的轉(zhuǎn)矩控制，因為轉(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 型步進電機。

VR型步進電機的步進角用下式表示。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)制造起來非常復(fù)雜。下圖顯示了 50 齒轉(zhuǎn)子和定子設(shè)計。這是一個 4 相步進電機，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 型步進電機已經(jīng)存在很長時間了。這些電機在電機速度較高時扭矩下降較小，因此在中高速應(yīng)用中，它們通常是比 PM 型步進電機更好的選擇。然而，眾所周知它們會產(chǎn)生更多噪音，因此它們的應(yīng)用范圍受到限制。VR 型步進電機在市場上不如 PM 型步進電機常見。

混合式步進電機

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

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

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

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由于有 50 個齒，因此全齒距為 7.2°。兩個轉(zhuǎn)子杯偏移半個螺距 (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 看到由于兩個轉(zhuǎn)子杯的偏移，北極和南極齒交替出現(xiàn)。 當(dāng)驅(qū)動器給繞組通電或勵磁時，定子磁極變成電磁鐵，永磁體轉(zhuǎn)子通過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。

定子中有八個定子極。當(dāng)繞組纏繞到主磁極并施加電流時，每個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，相對側(cè)的兩個極具有相同的極性，與這些極成 90° 的兩個極具有相反的極性。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”步進電機的原因。

混合式步進電機的步距角與轉(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 型和混合型步進電機之間的根本設(shè)計差異。

牙齒排列偏移A相興奮B相激發(fā)

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混合型步進電機每步旋轉(zhuǎn)1.8°的原因是由于轉(zhuǎn)子和定子之間的幾何設(shè)計，電機每步僅移動四分之一齒距。當(dāng)A相勵磁為南極，其定子齒與轉(zhuǎn)子的北極齒直接對齊時，B相的定子齒實際上與轉(zhuǎn)子齒偏移1.8°。這稱為齒排列偏移，是兩相混合式步進電機每步旋轉(zhuǎn) 1.8° 的原因。

對于每步0.9°的步進電機，兩個轉(zhuǎn)子齒都需要增加到100。任何超過100齒的東西都很難制造。

對于混合式步進電機，稀土永磁體可以獲得高扭矩，同時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 型步進電機更易于控制?；旌闲筒竭M電機還可以獲得更高的分辨率(即：每整步 0.72°/每轉(zhuǎn) 500 步)。通過微步進可以實現(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

市場上最受歡迎的步進電機是混合型，因為它提供最佳性能，但成本較高。 混合式步進電機適用于大多數(shù)應(yīng)用，而永磁或可變磁阻步進電機僅限于某些應(yīng)用。近年來，由于步進電機在功能、分布式控制和易于編程方面的技術(shù)改進，它們變得越來越智能。可以為步進電機添加減速機和閉環(huán)反饋以擴大其應(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