五相和二相混合式步进驱动系统的新比较
任 雷，程 智，韩光鲜，王宗培
(1．清华大学，北京100084；2．浙江大学，浙江杭州 310027；
3．哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)
摘 要：混合式步进驱动系统的综合性能一方面依赖于电机本体的设计水平，但在很大程度上还跟随并取决于驱动技术的发展水平。不同于传统整、半步驱动方式下的比较，作者在当今不断发展并日趋成熟的基于电流控制技术的微步驱动方式下，对五相和二相混合式步进驱动系统的综合性能作了新的比较。指出在新的驱动方式下，相对较低成本的二相系统的综合性能能够达到并有可能超过高性能的、昂贵的五相系统的综合性能，在今后的一个技术发展时期内将成为步进驱动系统发展的主流。
关键词：五相系统；二相系统；综合性能；整半步驱动；微步驱动；电流控制
1 引 言
当今步进驱动系统以应用混合式步进电动机为主。经过近40年的发展形成了两个最基本的系列产品，最早发展的定子8极转子50齿的二相混合式步进电动机基本系列和70年代中期开始发展起来的定子10极转子50齿的五相混合式步进电动机基本系列。
步进驱动系统传统的整、半步控制技术的发展已相当成熟，****典型意义的驱动方式为pwm恒流控制，电流开环升频升压控制，以及一种折衷型的升频升压型恒流控制。按照传统的观念，认为五相系统与二相系统相比，运行特性有显著的优势[1]。主要表现在(1)分辨率提高。(2)启动频率提高。(3)运行的频域增宽。(4)振荡的趋势减弱，噪声下降，运行的平稳性改善。(5)定位转矩减小。它的不足是功率驱动电路相应增加了相数，因而提高了成本。总之，认为五相混合式步进驱动系统是高性能和昂贵的系统，为要求运行性能高的应用场合所采用。随着数控技术的发展和对驱动系统要求的提高，五相系统应用领域逐步扩大成了仅次于二相系统的基本系列产品。
近代步进驱动技术的发展，主要是建立在电流控制技术基础上的微步驱动技术的发展和日渐成熟，使步进驱动系统的发展有了新的方向。微步驱动技术使二相电动机不必增加相数，分辨率也可以提高，要达到与五相系统一样的分辨率也十分容易。这样五相系统由于分辨率提高而获得的运行性能的提高同样也可以在二相系统中实现，而且二和系统可以方便地兼容五相系统的分辨率，从而使二相系统和五相系统综合性能的对比有了新的概念和内
容。这种新的对比在理沦和技术上都具有丰富的内函．对步进驱动系统今后一个时期内的发展有一定的指导意义。
2 新的比较
传统的整、半步驱动方式，逻辑通电状态数随着相数的增加而增加，因此转子齿数相同的电动饥，分辨率便直接由相数决定。转子50齿的二相、五相电动机，步距角分别为1．8o／0．9o和o．72o／o．36o，每转步数n。分别为200／400和500／1000。传统结论认为五相系统较二相系统在上述(2)、(3)、(4)方面有显著的优势，正是由于分辨率提高的直接结果。
基于电流控制的微步驱动技术，能够相当精确地控制电流的波形。二相系统只要增加电流波形的阶梯数，就可以提高分辨率，要达到与五相系统一样的分辨率也很方便。这样二相系统的启动频率、运行频域和运行平稳性也相应提高，运行性能便不比五相系统低，而且会更加灵活。
上述提到五相系统的定(立力矩小的优点，足因为五相电动机定子10极结构能消除4次谐波转矩。而二相电机8级结构各极下的4次谐波转矩相位相同而迭加造成二相系统的定位转矩较大。这个问题可以通过在二相电动机磁系统的设计中采用定转子不等齿距的结构让每激上的4次谐波转矩自我抵消的方法来解决。
影响步进驱动系统运行平稳性的因素很多．也很复杂。但五相和二棚系统相比，单就电机本体的结构，二相系统应该比五相系统好。因为二相电动磁系统足完全对称的。五棚电动饥则不然，在设计上存在着固有不对称的缺点，即所谓“人工锚位”的设计。这种磁系统的不对称会造成五相电机的主要参数如绕组电感和旋转电压系数的不对称，从而造成电磁转矩的波动，而影响系统的运行平稳性。
可见，在新的驱动技术发展条件下，增加棚数提高分辨率使运行性能提高的优越性已不复存在，压而使驱动电路复杂化，制造成本增加。也就是五训系统对二相系统在逐步失去性能上的优坍的同时，二栩系统结构简单，控制灵活，成本相对较低的优点义在引起技术和市场的重视，从而使二相系统在今后一定的技术发展时期成为主流系统。
3 实例对比
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