步進電動機詳解及其在國內(nèi)外的發(fā)展概況

崔淵博 王國霖 過雨莊

摘 要：步進電動機廣泛應(yīng)用與生產(chǎn)實踐中的各個領(lǐng)域，也是很多領(lǐng)域不可或缺的元件，通過分析它的技術(shù)含量無疑可以間接窺探一個國家的科技發(fā)展水平。

關(guān)鍵詞：步進電動機；脈沖信號

1 步進電動機簡介

步進電動機又稱脈沖電動機，是把電脈沖信號變換成角位移、直線位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的微型特種電動機，在自動控制裝置中作為執(zhí)行元件。每當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，就驅(qū)動步進電動機前進一個固定的角度或者直線位移，而且其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖個數(shù)及頻率有著嚴格的對應(yīng)關(guān)系。步進電動機因其本身的特點，在具體的應(yīng)用中有利于實現(xiàn)設(shè)備的小型化和低成本，因而多用于數(shù)字式計算機的外部設(shè)備、打印機、機器人四肢、繪圖機和磁盤等裝置，特別是是在人形機器人領(lǐng)域，其步進電動機性能的高低很大程度上決定了人形機器人的先進程度。步進電動機的驅(qū)動電源由變頻脈沖信號源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，此驅(qū)動電源向電機繞組提供脈沖電流。步進電動機的運行性能取決于電動機與驅(qū)動電源間的良好配合。

2 步進電動機的分類及其特點

步進電動機按其工作原理可以分為永磁式步進電動機（PM）、反應(yīng)式步進電動機（VR）和混合式步進電動機（HM）三種基本類型。

永磁式步進電動機定子上有多項繞組，轉(zhuǎn)子上有永磁體的磁極，從而在產(chǎn)生極性交替的磁場，如果勵磁的變化太快就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不能和定子磁場方向的變化保持同步，這種現(xiàn)象稱為步進電動機轉(zhuǎn)子的失步。永磁式步進電動機的缺點是它的轉(zhuǎn)矩較小、起動頻率和運行頻率比較低，優(yōu)點是其體積小、運行效率高、消耗的功率比較小以及制造成本低。永磁式步進電動機的步進角一般可分為7.5°、15°、18°、45°等幾種。

反應(yīng)式步進電動機也稱為磁阻式步進電動機，其定子、轉(zhuǎn)子鐵芯的內(nèi)外表面上均設(shè)有按一定規(guī)律分布的相近齒槽，利用定子、轉(zhuǎn)子鐵芯齒槽的相對位置變化引起磁路磁阻的變化，從而輸出大轉(zhuǎn)矩。反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)形式較多，定子鐵芯有單段式、多段式，磁路有徑向、軸向，繞組相數(shù)有三相、四相、五相。反應(yīng)式步進電動機步距角可做到1°～15°，甚至更小，因此精度容易保證，起動頻率與運行頻率較高，但是功耗大、效率較低。

混合式步進電動機是指結(jié)合了永磁式步進電動機和反應(yīng)式步進電動機的優(yōu)點，電動機步距角小、精度高、工作頻率高、且功耗小、效率高。它的定子、轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進電動機相似，轉(zhuǎn)子有永磁體在氣隙中產(chǎn)生單極性磁場，此磁場還被轉(zhuǎn)子上軟磁材料的齒槽調(diào)制步進角一般有0.72°和1.8°兩種，這種步進電動機的應(yīng)用最為廣泛。

3 步進電動機的應(yīng)用

步進電動機廣泛應(yīng)用與生產(chǎn)實踐中的各個領(lǐng)域，也是很多領(lǐng)域不可或缺的元件，通過分析它的技術(shù)含量無疑可以間接窺探一個國家的科技發(fā)展水平。

3.1 步進電動機在數(shù)控機床中的應(yīng)用

步進電動機在數(shù)控機床中的應(yīng)用最為廣泛，因為步進電動機不需要A/D轉(zhuǎn)換就能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或者直線位移，進而經(jīng)過適當傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)化為數(shù)控機床執(zhí)行機構(gòu)的進給運動、調(diào)整運動等運動，所以說步進電動機是數(shù)控機床最理想的驅(qū)動元件。早期的步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足數(shù)控機床對轉(zhuǎn)矩的要求，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)步進電動機在數(shù)控機床上單獨作為執(zhí)行元件，比如有些大轉(zhuǎn)矩步進電動機不需要經(jīng)過傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩放大就可以直接和主軸相連。

3.2 步進電動機在工業(yè)機械手中的應(yīng)用

工業(yè)機械手是一種模仿人手動作，并按照設(shè)定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運工件或者借助操持工具進行工作的機電一體化自動裝置。大多數(shù)現(xiàn)代化工廠里都會有很多機械手，因為機械手不僅讓人從繁重、枯燥的事務(wù)中解放出來，而且它能干很多工人不能做的工作，比如搬運汽車生產(chǎn)線上沉重的工件，不僅更快速更安全而且更加高效，從而大大提高了工廠的產(chǎn)能，因此工業(yè)機械手是建設(shè)現(xiàn)代化工廠和無人化工廠所不可或缺的。工業(yè)機械手的控制方式有液壓式、氣壓式和電機式等。液壓式和氣壓式機械手結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，但是系統(tǒng)定位需要限位開關(guān)來實現(xiàn)，控制精度、可靠性和靈活性均不如電機式機械手，不利于生產(chǎn)的自動化。步進電動機可以精確控制機械手各個環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)向的角度和方向，借助其他夾持裝置可以完成油漆噴涂、工件抓取和產(chǎn)品裝配等多種工作。

3.3 步進電動機在提升裝置中的應(yīng)用

步進電動機可以將脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘咧本€位移，而且在不超載時，它的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和個數(shù)，并不受負載變化的影響，這一特性使其被廣泛應(yīng)用在要求速度、位置準確控制的提升裝置中，比如礦井的提升裝置、垂直式電梯和轉(zhuǎn)塔式吊機等。

4 步進電動機在我國的發(fā)展概況

我國步進電動機的研究及制造起始于1958年，當時只有清華大學(xué)、華中理工大學(xué)等少數(shù)高等院校為研究一些裝置而開發(fā)的少量產(chǎn)品，盡管晚于西方發(fā)達國家長達數(shù)十年之久，但經(jīng)過近60年的大發(fā)展，我國已經(jīng)開發(fā)了門類眾多、性能優(yōu)良的步進電動機，有些甚至處于世界領(lǐng)先水平。但總體看來，我國的步進電動機在全球的競爭中總體上處于相對弱勢地位。我國步進電動機行業(yè)的發(fā)展極不平衡，兩極分化現(xiàn)象較為嚴重，只有極少數(shù)處于高端地位，絕大多數(shù)處于低端領(lǐng)域，這些處于低端領(lǐng)域的步進電動機制造企業(yè)并非專門從事步進電動機研發(fā)、制造業(yè)務(wù)，它們只是在開展其他電機業(yè)務(wù)的同時順帶開展步進電動機業(yè)務(wù)，而且其產(chǎn)品多為應(yīng)用于家電、辦公設(shè)備等領(lǐng)域的中低端步進電動機。當前，我國正處在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的過程中，政府提出了“工業(yè)4.0”和“物聯(lián)網(wǎng)+”的大產(chǎn)業(yè)布局，作為機電一體化的重要產(chǎn)品，步進電動機的地位將會越來越重要，其市場前景無限光明，因此，我們應(yīng)該充分利用這個寶貴機會加大發(fā)展這一行業(yè)的力度，努力追趕和超越發(fā)達多家。

參考文獻

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