两相PM型与三相PM型步进电机的速度—转矩特性其速度—振动特

两相PM型与三相PM型步进电机的速度—转矩特性其速度—振动特性

PM（Permanent Magnet，永久磁铁）型转子为内转子型（外部为定子，中间为气隙的电机），圆柱形转子的外表面分布N、S极（外表面无齿）。

单相PM型步进电机

根据步进电机相数分类的单相步进电机如下图所示。有关内容在前节已经说明，此处不再赘述。

单相步进电机的转动工作原理

两相PM型步进电机

如下图所示的两相步进电机为例，定子绕组在圆周上分布排列，最简单的转子极数为2，即极对数Nr=1。

两相步进电机的结构与工作原理

根据式θs=180°/PNr，令P=2，则机械角θs=90°/Nr，此90°为电气角表示的步距角，电气角除以Nr即为机械角。转子极数为2，即Nr=1，则电气步距角与机械步距角相等。

下面以单极工作方式为例说明步进电机的旋转原理，如下图所示，可知转子步距角为90°，4步旋转一周（360°）。

两相步进电机的结构和旋转工作原理

图中在一个磁极上绕了两个线圈，每个线圈的激磁电流只流一个方向的电流，故图(a)中A相线圈为下层线圈，“杠A”为上层线圈。步进1状态，给1相下层线圈A相通电，在上磁极产生N极，下磁极产生S 极，利用定转子磁极异性相吸，直至平衡位置。

然后1相电流断开，2相线圈B相接通电流，定子磁极左边为S极，右边为N极，吸引转子顺时针旋转90°，转到步进2状态，如图(b)所示。再次电流切换到1相线圈“杠A”相，1相磁极反转，转子顺方向（顺时针方向）旋转。如磁极上为单线圈，则线圈需要流过正反向电流（此为双向驱动，Bipolar）。

图中1相有两个线圈，电流单向流过，两个线圈产生的极性相反，给“杠A”线圈通电，磁极极性反转成为图中(c)所示状态。同样原理，2相线圈依靠电流的方向的变化，使其磁极极性从第2步变成第4步的极性，使转子旋转到图(d)状态，此时，转子由第3步顺时针转过90°到第4步。不断重复进行第1步至第4步，转子就连续旋转。

两相PM型爪极步进电机

两相PM型爪极步进电机的结构如下图所示，定子相绕组不像前面介绍的电机一样分布在圆周上，而是轴向放置，这种相绕组安装方式称为从属型结构。

两相PM型爪极步进电机的结构图

转子为圆柱形永久磁铁，其中心安装了输出轴。圆柱形永久磁铁的圆周外表面交替分布着N极和S极，极对数为Nr，N、S极等极距。其转子磁极通过气隙，对着定子磁极。定子磁极依其形状称为爪极（claw pole)，由导磁钢板冲压成型，形成Nr个爪极。两个定子极板其磁极交互安放，相差1/2极距，共2Nr个与转子磁极数2Nr相对应，形成一相定子。

定子为爪极型的步进电机，气隙为0.2mm（比HB型步进电机的气隙大3~4倍）。其分辨率与相同尺寸的HB型步进电机相比相差1/4。与相同尺寸的HB型步进电机相比，其转矩只有1/3。决定步距角的分辨率由式θs=180°/PNr得知，如P=2，则θs=90°/Nr。

下图示为PM型步进电机的外观及PM型步进电机（42×长度27mm，步距角7.5°）的速度-转矩特性[与尺寸接近的 HB型步进电机（39×长度27mm,步距角1.8°)比较]。因为HB型为方形，其对角线为42mm以上，而且转子为永久磁铁，PM型为便宜的铁氧体磁铁，HB为钕铁硼磁铁。

PM型步进电机的外观和速度—转矩特性

此种PM型步进电机的最大特点为价格便宜。从成本角度分析如下。

PM型转子通常使用铁氧体磁铁等低成本材料，轴承使用金属滑动轴承(Sleeve metal），导磁材料使用电工钢板，从材料费方面考虑做到低成本的设计。线圈卷绕在线圈骨架上，可提高绕线效率，节省绕线时间。线圈端头采用低价接线端子。与相同尺寸大小的HB型相比，只有其价格的1/3。使用的数量为HB型的3倍以上，其使用量有逐年增加的趋势。

两相PM型爪极步进电机的旋转原理与本文开头的两相PM型分布线圈步进电机的旋转原理基本相同。但是，本文第一张图可知，一个线圈只能给一个磁极激磁，然而爪极电机的一相线圈可以给多极激磁。下图示出爪极步进电机的旋转原理。实际的两相PM型爪极步进电机，设计的多极Nr=12，此时定子的爪极数每相有12对极。

如上图所示，St1、St2为定子的两相绕组，各线圈如图所示方向绕制。Rt为转子，采用铁氧体磁铁构成，N、S极分布在转子外表面，与定子极之间形成工作气隙。由图知道,一相线圈激磁一对定子磁极，转子极对数与定子极对数的节距相同，相邻转子的S极与N极必定相互吸引，产生电磁力。该点与后面叙述的HB型和RM型不同。

第一步，图(a)为1相线圈激磁图，转子与定子St1的磁极互相异性相吸。如果此时施加外力，转子会带着负载移动，电磁力会产生图(a)所示位置的恢复力，负载力的大小决定了位置精度。此时，2相定子St2的磁极中心线在转子磁极N、S极的中间位置，2相定子与转子磁极中心线相差π/2，此位移角为一个步距角。

第二步，图(b)中，Stl的线圈电流为OFF，St2的线圈电流变成ON，转子向右移动π/2，转子被St2吸引而停止。

第三步，图(c)中，Stl的线圈电流反向通电，定子极性反转，转子再旋转π/2后静止。

第四步，图(d)中，St2的线圈电流反向通电，定子极性反转，转子再旋转π/2后静止。

根据以上叙述，一个步距角为转子磁极极距的1/2，走4步为一个循环。步距角由转子的极数来决定，定子的极数对转矩的增加有影响。当然，此型步进电机有单极（uni-polar）型和双极（Bi-polar）型，均伴随定子磁极磁化而旋转，反转亦相同。

三相PM型爪极步进电机

本步进电机的三相定子绕组在轴向三重配置，三相Y（三个线圈的末端接在一起，简称星形）或△（三个线圈首尾相接，简称三角形）接出三个出线端，为三相驱动PM型爪极步进电机。三相PM型爪极步进电机的结构如下图所示。

三相PM型爪极步进电机的结构图

转子R的结构完全与两相步进电机相同。定子每相结构基本上与两相步进电机的相同。与两相步进电机不同的是定子三个相的配置角度不同。上图为三相PM型爪极步进电机的结构，立体剖面图只表示定子与转子结构。转子R与两相PM型步进电机相同，其外表面为N、S 极，极对数为Nr。如图所示，转子R的极对数的节距为τ。定子由A、B、C相组成，各线圈绕制成DA、DB、DC的环状线圈，以CA、CB、CC在转子轴方向纵向配置，线圈CA激磁形成A相的磁极A1和A2，CB激磁形成B相的磁极B1和B2，CC激磁形成C相的磁极C1和C2。

此步进电机的运行原理如下图所示：

三相PM型步进电机的工作原理此图各定子相磁极的符号与上面的三相PM型爪极步进电机的结构图相同，两图对照来看。三个线圈CA、CB、CC为Y连接，如用△（三角形）接法也能同样运行。例如，如图(a)所示，A相B相间加电压，两个线圈磁通方向相反如箭头所示。该激磁驱动电路如下图所示。

三相步进电机的驱动电路图

T1~T6为功率管，各相线圈接法如图所示，T1~T6的B端为电源端，G端为接地端。

T1~T6导通顺序如下表所示，O表示功率管导通，由此给Y接法的3个端子中的两个加正负电压。由于三个线圈的尾端短接，必定使两相绕组顺次激磁，即三相绕组两相激磁驱动。

三相步进电机激磁顺序

第一步：T1与T4导通，A相与B相激磁。如上面的三相PM步进电机运行原理图(a)所示，A相与B相激磁，箭头方向为两绕组线圈产生的磁通方向，A相与B相磁极极性图中也有标识。由此，转子R被吸引到稳定位置。

第二步：T1关断，T5变成导通，T4与T5导通，B相和C相激磁，如上面的三相PM步进电机运行原理图(b)所示，B相和C相的线圈磁通方向相反。此时，转子R 从图(a)位置向左移动τ/6的稳定位置，τ/6为三相永磁步进电机的步距角，即步距角为转子一对极极距的1/6。与两相永磁步进电机的1/4相比，分辨率提高1.5倍。

第三步：T4关断，T2变成导通，C相和A相的线圈导通，转子移动到如上面的三相PM步进电机运行原理图(c)所示的稳定位置，转子R又向左移动τ/6。依次切换功率管，使定子绕组依次导通，实现上面的三相PM步进电机运行原理图(

图（三相PM型爪极步进电机的结构）中A、B、C（A1、B1、C1）相差τ/3即电气角120。，各相偏差τ/6，图（三相PM步进电机的运行原理）的接线方式还不能达到连续步进的动作，

下图为相同尺寸和同一转子的两相PM型与三相PM型步进电机的速度—转矩特性。

两相PM型与三相PM型步进电机的速度—转矩特性其速度—振动特性如下图所示。

转矩特性方面，三相PM型步进电机在高速旋转时转矩较高；振动特性中三相PM型在步进电机低速下比较小；相应的噪音特性与两相PM型电机相比有更大改善。总之，三相PM型步进电机虽然结构比两相PM型步进电机复杂，但性价比更好。

下表为试验电机参数，即相同尺寸的两相HB型与三相PM型步进电机的参数。

HB型与三相PM型步进电机的参数对比

下图为两种电机的速度—转矩特性及其速度-噪音特性：

HB型与三相PM型步进电机的速度、转矩特性及速度、噪音特性图