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单极性驱动和双极性驱动的区别 Applications by MOONS'

单极性驱动和双极性驱动的区别


单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动电路。单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位,电机定子绕线结构如图1所示包含两组带有中间抽头的线圈(AC线圈的中间抽头为O,BD线圈的中间抽头为M),整个电机共有六条线与外界连接。AC端不能同时通电(BD端同理),否则磁极上的两个线圈产生的磁通相互抵消,只产生线圈的铜耗。因为它其实只有两个相位(AC绕组为一相,BD绕组为一相),准确的说法应是两相六线式步进电机。

单极性驱动电路

图1 单极性驱动电路

双极性步进电机的驱动电路则如图2所示,它使用八颗晶体管来驱动两组相位。定子磁极的线圈为单线圈绕组,通过切换线圈AC和线圈BD的的电流方向来切换磁极的正反方向。步进电机的发展初期由于受到晶体管半导体原件的成本影响,单极性电机由于其控制电路使用的晶体管数量少而得到一定范围的应用,但是随着上世纪五六十年代半导体材料的高速发展,晶体管成本大大降低,双极性电机凭借着性能上的优势使其使用量急剧增加。

双极性驱动电路

图2 双极性驱动电路

图3所示的是单极性与双极性两种绕线方式,导线线径相同时,单极方式的线圈绕组匝数为N,电阻为R,双极方式的线圈绕组匝数为2N,线圈电阻则为2R。

单极性与双极性绕组

图3 单极性与双极性绕组

下表所示恒压驱动电路在低速时,单极与双极驱动工作效率的对比。电流与线圈匝数的乘积称为安匝数,与转矩成正比,如果两者转速相同,输出功率与安匝数有比例关系。同样,双极性电流为V/2R,匝数也为2N,乘积的结果与单极性同为VN/R。输入恒压驱动的情形,单极性与双极性比较,如下表所示,电流只有单极性的二分之一,低速时的效率为单极性的2倍。

所以小型化或低速应用时,有大转矩需求,应使用双极性电机及驱动。高速应用的情况下,因为双极性电机匝数多,电感变大,反电势增大,使高速时电流减少,从而降低转矩,所以需要注意与单极性的转矩比较。

  单极性 双极性
安匝数 U1=V*N/R U2=V*2N/2R=V*N/R
输入功率 W1=V²/R W2=(V/2R)²*2R=V²/2R
效率 η=U1/W1=N/V η=U2/W2=2N/V

注:V为所加电压;R为电机线圈电阻;N为单极匝数

图4为单极性步进电机与双极性步进电机的特性曲线,均采用同一恒流驱动方式。一般低速大转矩的负载应用使用双极性驱动,而高速驱动应用以单极性驱动较为合适。

单极驱动与双极驱动的矩频曲线对比

图4 单极驱动与双极驱动的矩频曲线对比