步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動(dòng)作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其原始模型是起源于1830年至1860年間。1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機(jī)。1923年，James Weir French發(fā)明三相可變磁阻型(Variable reluctance)，此為步進(jìn)電機(jī)前身。二十世紀(jì)初，步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在了電話自動(dòng)交換機(jī)中。由于西方資本主義列強(qiáng)爭(zhēng)奪殖民地，步進(jìn)電機(jī)在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的控制方式更加靈活多樣。

步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于其它控制用途電機(jī)的最大區(qū)別是，它接收數(shù)字控制信號(hào)(電脈沖信號(hào))并轉(zhuǎn)化成與之相對(duì)應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個(gè)完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就得到一個(gè)規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比,其成本明顯減低，幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入的脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，而且在時(shí)間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序,即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。

我國(guó)的步進(jìn)電機(jī)在二十世紀(jì)七十年代初開始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發(fā)展階段，新品種和高性能電機(jī)不斷開發(fā)，目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是永磁材料、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)及發(fā)展概況作為一種控制用的特種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動(dòng)電源(步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器)。在微電子技術(shù)，特別計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展以前，控制器(脈沖信號(hào)發(fā)生器)完全由硬件實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用單獨(dú)的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路。這就使得需要針對(duì)不同的電機(jī)開發(fā)不同的驅(qū)動(dòng)器，開發(fā)難度和開發(fā)成本都很高，控制難度較大，限制了步進(jìn)電機(jī)的推廣。

由于步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)把電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，因此，計(jì)算機(jī)成為步進(jìn)電機(jī)的理想驅(qū)動(dòng)源，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流，即通過程序產(chǎn)生控制脈沖,驅(qū)動(dòng)硬件電路。單片機(jī)通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，更好地挖掘出了電機(jī)的潛力。因此，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代趨勢(shì)。

步進(jìn)電機(jī)是一種開環(huán)控制的電機(jī)，是利用脈沖控制信號(hào)使其轉(zhuǎn)為位移的一種能夠精細(xì)控制位移的電機(jī)，由于很多有細(xì)分功能，因此能夠?qū)崿F(xiàn)很小的步進(jìn)角位移，控制精度高，這是步進(jìn)電機(jī)獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，我們經(jīng)常看到步進(jìn)電機(jī)都是在短距離運(yùn)行，但是來回工作卻是很頻繁，因此步進(jìn)電機(jī)不適合于長(zhǎng)期同一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)1、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)候表面溫度很高，但是并不影響其使用，因?yàn)閮?nèi)部磁性材料原因;

2、驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須是脈沖信號(hào)，并且不需要反饋信號(hào)，即所謂的開環(huán)控制;

3、改變脈沖的變換順序可以改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向;

4、步進(jìn)電機(jī)速度不宜過快，不適合于高速場(chǎng)合;

5、一般的步進(jìn)電機(jī)的精度是步進(jìn)角的3-5%左右;

6、步進(jìn)電機(jī)具有良好的急停以及反轉(zhuǎn)特性，是其他電機(jī)無法比擬的;

7、選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)候，原則上是先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大就用大一點(diǎn)的步進(jìn)電機(jī);

8、步進(jìn)電機(jī)與整機(jī)配合一起有時(shí)候會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這是它的缺點(diǎn)之一，因此在避開此工作點(diǎn)，可以改變電壓或者電流等來解決;

步進(jìn)電機(jī)作為電子工業(yè)常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式之一，也是小白初學(xué)電機(jī)首先接觸到的電機(jī)，雖然進(jìn)階學(xué)習(xí)基本上是以伺服電機(jī)為主，但不可否認(rèn)地是，步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用在部分領(lǐng)域，所以本文將盤點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。

1、步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

①電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù);

②電機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)候具有最大的轉(zhuǎn)矩(當(dāng)繞組激磁時(shí));

③由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會(huì)將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性;

④優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng);

⑤由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命;

⑥電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡(jiǎn)單且可控制成本;

⑦僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速地同步旋轉(zhuǎn);

⑧由于速度正比于脈沖頻率，因而有較寬的轉(zhuǎn)速范圍。

缺點(diǎn)：

①如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象;

②難以運(yùn)轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速;

③難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩;

④在體積重量方面沒有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低;

⑤超過負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，高速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。

2、步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

①不僅電極必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒有脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)將靜止。如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，將以一定的角度(稱為步進(jìn)角)，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。

②騰龍版步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為7.5度，一圈360度，需要48個(gè)脈沖完成。

③步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。

④改變脈沖的順序，可以方便地改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。

因此，目前打印機(jī)、繪圖儀、機(jī)器人等設(shè)備都以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心。