五相和二相混合式步進驅動系統的新比較
任 雷，程 智，韓光鮮，王宗培
(1．清華大學，北京100084；2．浙江大學，浙江杭州 310027；
3．哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)
摘 要：混合式步進驅動系統的綜合性能一方面依賴于電機本體的設計水平，但在很大程度上還跟隨并取決于驅動技術的發展水平。不同于傳統整、半步驅動方式下的比較，作者在當今不斷發展并日趨成熟的基于電流控制技術的微步驅動方式下，對五相和二相混合式步進驅動系統的綜合性能作了新的比較。指出在新的驅動方式下，相對較低成本的二相系統的綜合性能能夠達到并有可能超過高性能的、昂貴的五相系統的綜合性能，在今后的一個技術發展時期內將成為步進驅動系統發展的主流。
關鍵詞：五相系統；二相系統；綜合性能；整半步驅動；微步驅動；電流控制
1 引 言
當今步進驅動系統以應用混合式步進電動機為主。經過近40年的發展形成了兩個最基本的系列產品，最早發展的定子8極轉子50齒的二相混合式步進電動機基本系列和70年代中期開始發展起來的定子10極轉子50齒的五相混合式步進電動機基本系列。
步進驅動系統傳統的整、半步控制技術的發展已相當成熟，****典型意義的驅動方式為pwm恒流控制，電流開環升頻升壓控制，以及一種折衷型的升頻升壓型恒流控制。按照傳統的觀念，認為五相系統與二相系統相比，運行特性有顯著的優勢[1]。主要表現在(1)分辨率提高。(2)啟動頻率提高。(3)運行的頻域增寬。(4)振蕩的趨勢減弱，噪聲下降，運行的平穩性改善。(5)定位轉矩減小。它的不足是功率驅動電路相應增加了相數，因而提高了成本。總之，認為五相混合式步進驅動系統是高性能和昂貴的系統，為要求運行性能高的應用場合所采用。隨著數控技術的發展和對驅動系統要求的提高，五相系統應用領域逐步擴大成了僅次于二相系統的基本系列產品。
近代步進驅動技術的發展，主要是建立在電流控制技術基礎上的微步驅動技術的發展和日漸成熟，使步進驅動系統的發展有了新的方向。微步驅動技術使二相電動機不必增加相數，分辨率也可以提高，要達到與五相系統一樣的分辨率也十分容易。這樣五相系統由于分辨率提高而獲得的運行性能的提高同樣也可以在二相系統中實現，而且二和系統可以方便地兼容五相系統的分辨率，從而使二相系統和五相系統綜合性能的對比有了新的概念和內
容。這種新的對比在理淪和技術上都具有豐富的內函．對步進驅動系統今后一個時期內的發展有一定的指導意義。
2 新的比較
傳統的整、半步驅動方式，邏輯通電狀態數隨著相數的增加而增加，因此轉子齒數相同的電動饑，分辨率便直接由相數決定。轉子50齒的二相、五相電動機，步距角分別為1．8o／0．9o和o．72o／o．36o，每轉步數n。分別為200／400和500／1000。傳統結論認為五相系統較二相系統在上述(2)、(3)、(4)方面有顯著的優勢，正是由于分辨率提高的直接結果。
基于電流控制的微步驅動技術，能夠相當精確地控制電流的波形。二相系統只要增加電流波形的階梯數，就可以提高分辨率，要達到與五相系統一樣的分辨率也很方便。這樣二相系統的啟動頻率、運行頻域和運行平穩性也相應提高，運行性能便不比五相系統低，而且會更加靈活。
上述提到五相系統的定(立力矩小的優點，足因為五相電動機定子10極結構能消除4次諧波轉矩。而二相電機8級結構各極下的4次諧波轉矩相位相同而迭加造成二相系統的定位轉矩較大。這個問題可以通過在二相電動機磁系統的設計中采用定轉子不等齒距的結構讓每激上的4次諧波轉矩自我抵消的方法來解決。
影響步進驅動系統運行平穩性的因素很多．也很復雜。但五相和二棚系統相比，單就電機本體的結構，二相系統應該比五相系統好。因為二相電動磁系統足完全對稱的。五棚電動饑則不然，在設計上存在著固有不對稱的缺點，即所謂“人工錨位”的設計。這種磁系統的不對稱會造成五相電機的主要參數如繞組電感和旋轉電壓系數的不對稱，從而造成電磁轉矩的波動，而影響系統的運行平穩性。
可見，在新的驅動技術發展條件下，增加棚數提高分辨率使運行性能提高的優越性已不復存在，壓而使驅動電路復雜化，制造成本增加。也就是五訓系統對二相系統在逐步失去性能上的優坍的同時，二栩系統結構簡單，控制靈活，成本相對較低的優點義在引起技術和市場的重視，從而使二相系統在今后一定的技術發展時期成為主流系統。
3 實例對比
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