步进电机的“双极性”与“单极性”

当您选择两相步进电机时,会遇到两个基本术语:“双极性 (Bipolar)”和“单极性 (Unipolar)”。

这个术语描述的并不是电机本身,而是指其内部电磁绕组(线圈)的电气结构。这种结构上的差异,决定了电机需要哪种类型的驱动器,并直接影响其性能表现。


1. 双极性 (Bipolar) 步进电机

双极性电机是目前最高效、最主流的选择。

结构与原理

  • 内部结构: 每相只有一组绕组(一个线圈)。
  • 工作原理: 为了让转子转动(即反转磁极),驱动器必须反转流过整个线圈的电流方向(例如,从 +A → -A)。
  • 驱动要求: 这需要一个更智能的驱动电路,称为“H桥”,它能够精密地控制和反转电流。幸运的是,几乎所有现代的微步驱动芯片都内置了 H 桥电路。

如何识别?

双极性步进电机结构最简单,它每相只有两个引出线。

  • 引出线数量: 只有 4 根线

优势

  • 高效率和高扭矩: 在任何时候,电流都会流过整个绕组,100% 的线圈都在工作。这使得双极性电机在同等体积下,能比单极性电机提供更大的扭矩。
  • 结构紧凑: 内部绕组更少,结构更简单。

2. 单极性 (Unipolar) 步进电机

单极性电机是一种更早期的设计,以其驱动电路极其简单而闻名。

结构与原理

  • 内部结构: 每相有两组绕组(或者说,一组带有中心抽头的绕组)。这个“中心抽头”是公共线。
  • 工作原理: 驱动器不需要反转电流。它只需要决定是让电流流过“前半段”绕组,还是“后半段”绕组,就可以反转磁极。
  • 驱动要求: 驱动电路非常简单,每个绕组末端只需要一个简单的开关(如晶体管)即可控制。

如何识别?

由于有“中心抽头”公共线的存在,它的引出线更多。

  • 引出线数量: 通常有 5 根线6 根线

局限性

  • 低效率和低扭矩: 在任何时候,只有一半的相绕组在工作。另一半线圈(铜线)则处于闲置状态,这导致其扭矩输出远低于同等大小的双极性电机。

3. 关键对比:如何选择?

特性双极性 (Bipolar)单极性 (Unipolar)
绕组结构每相 1 组绕组每相 1 组,带中心抽头
驱动原理电流换向 (H桥)电流切换 (简单开关)
性能高扭矩、高效率低扭矩、低效率 (仅 50% 绕组工作)
常见线数4 根线5 根线6 根线
驱动复杂性驱动器(芯片)复杂,但已成标准驱动电路(硬件)非常简单

特别说明:“通用”的 6 线电机

最有趣的是 6 线电机。它本质上是一个单极性电机,但它提供了极大的灵活性:

  1. 用作单极性: 连接两个“中心抽头”线和四个末端线,使用简单的单极性驱动器。
  2. 用作双极性(推荐): 完全忽略那两根“中心抽头”线,只使用剩下的 4 根线。这样,它就变成了一个标准的、高性能的双极性电机,可以用现代的双极性驱动器来驱动,从而获得全部扭矩。

结论:

  • 如果您的电机有 4 根线,它必须双极性驱动器。
  • 如果您的电机有 6 根线,您可以将其用作低扭矩的单极性电机,或(更推荐)将其当作双极性电机来驱动,以获得最佳性能。

在现代应用中,由于双极性驱动芯片的成本大幅下降,双极性驱动已成为绝对的主流,因为它能以最小的电机体积压榨出最大的性能。

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