步進(jìn)電機(jī)的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)化與數(shù)字控制領(lǐng)域中，有著比較樂觀的發(fā)展前景，和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，能比較精確的控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在合適的工作場(chǎng)合中，若控制得當(dāng)，步進(jìn)電機(jī)的工作性能甚至可以與直流伺服電機(jī)相比。

步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 　　步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的最大區(qū)別，在于步進(jìn)電機(jī)完全由脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)和控制，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不受負(fù)載變化的影響。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置，只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的這種特點(diǎn)決定了設(shè)計(jì)。

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。

一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)是一種多用途的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置，它能夠以一種有序的方式旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是能捕捉外部信號(hào)，以角度或位移運(yùn)動(dòng)作為輸出，而這些角度與位移是由外部信號(hào)所控制的。該運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置具有低成本、高精度、高效率和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以分為兩個(gè)步驟：捕捉外部信號(hào)和傳輸信號(hào)。

首先，步進(jìn)電機(jī)捕捉由數(shù)字信號(hào)控制裝置發(fā)出的電磁脈沖信號(hào)，其次，步進(jìn)電機(jī)通過比較器將電磁脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角度信號(hào)。由此，由數(shù)字控制裝置發(fā)出的電磁脈沖信號(hào)被步進(jìn)電機(jī)捕捉和轉(zhuǎn)化為角度信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)便可以傳遞外部信號(hào)。

最后，步進(jìn)電機(jī)將外部信號(hào)轉(zhuǎn)化為扭矩信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)位移或角度的運(yùn)動(dòng)作為輸出。此外，這種運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置還可以利用電磁位移或轉(zhuǎn)角反饋裝置來產(chǎn)生有關(guān)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置或速度的閉環(huán)反饋信號(hào)，以確保精確的運(yùn)動(dòng)控制。

二、步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)是一種可編程控制的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置，它能夠以一種有序的方式旋轉(zhuǎn)，可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)高精度、高效率和高可靠性的角度或位移運(yùn)動(dòng)控制。步進(jìn)電機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.捕獲電磁脈沖輸入信號(hào);

2.輸出信號(hào)能夠準(zhǔn)確按照電磁脈沖的指令執(zhí)行;

3.旋轉(zhuǎn)角度比較精確，能夠?qū)崿F(xiàn)微調(diào);

4.開口性佳、功率低、安全可靠，對(duì)環(huán)境系統(tǒng)友好;

5.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，無絲輪，減少結(jié)構(gòu)的積累;

6.靈敏度高，容易控制;

7.比較低的成本。

三、步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)具有良好的抗電磁干擾能力、可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，可用于機(jī)械臂、機(jī)械手、自動(dòng)取料裝置、電子鋼尺等控制工具及機(jī)械對(duì)位調(diào)整系統(tǒng)等場(chǎng)合，可以替代傳統(tǒng)電機(jī)和伺服電機(jī)。

但是，由于步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大、扭矩較小、突變響應(yīng)較慢等缺點(diǎn)，使其在某些高速、高精度的控制系統(tǒng)中尚不能取代傳統(tǒng)電機(jī)或伺服電機(jī)。此外，由于沒有電磁位移反饋裝置，步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確性和精度要低于傳統(tǒng)電機(jī)和伺服電機(jī)，所以在儀器儀表、醫(yī)療器械、汽車動(dòng)力系統(tǒng)等領(lǐng)域也沒有得到更廣泛的應(yīng)用。

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。

步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停、定位的特點(diǎn)，在數(shù)字控制領(lǐng)域經(jīng)常使用步進(jìn)電機(jī)作為位置控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)在快速運(yùn)行中，要求驅(qū)動(dòng)電路提供給步進(jìn)電機(jī)繞組的驅(qū)動(dòng)電流盡可能地接近其技術(shù)指標(biāo)要求的數(shù)值，以產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，當(dāng)運(yùn)行速度提高后要提高繞組的工作電流，必須提高電源電壓。實(shí)際應(yīng)用中，常采用的控制方式是高低壓恒流斬波控制。

步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要有四個(gè)方面：

1、工業(yè)機(jī)器 步進(jìn)電機(jī)用于汽車儀表和機(jī)床自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)器人制造、檢驗(yàn)和工藝流程。

2、安防 安防業(yè)新的監(jiān)控產(chǎn)品，包括安防攝像機(jī)PAN/ZOOM/TILT。

3、醫(yī)療 步進(jìn)電機(jī)用于醫(yī)用掃描儀、采樣器，還有在數(shù)字口腔攝影中見到的液壓泵、呼吸機(jī)和血液分析儀。

4、消費(fèi)電子 步進(jìn)電機(jī)在攝像機(jī)中提供自動(dòng)數(shù)碼相機(jī)對(duì)焦和變焦功能。此外，還有商用機(jī)器應(yīng)用、電腦周邊應(yīng)用。

1.軟盤驅(qū)動(dòng)器

軟盤存儲(chǔ)器是一種非常簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)外部信息存儲(chǔ)裝置。當(dāng)軟盤插入驅(qū)動(dòng)器時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，使盤片在盤套中旋轉(zhuǎn)。磁頭安裝在磁頭小車上，步進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)磁頭小車。步進(jìn)角轉(zhuǎn)換成磁頭的位移。讀取和寫入磁盤數(shù)據(jù)。步進(jìn)電機(jī)的每一行走得更遠(yuǎn)，磁頭移動(dòng)一個(gè)軌道。

2.針式打印機(jī)驅(qū)動(dòng)

針式打印機(jī)利用機(jī)械驅(qū)動(dòng)和電路驅(qū)動(dòng)的原理，使印刷針擊中絲帶和印刷介質(zhì)，然后打印出網(wǎng)點(diǎn)矩陣，然后由字符或圖形組成，完成打印任務(wù)。從結(jié)構(gòu)上講，針式打印機(jī)由印刷機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制電路組成。印刷過程中有三種機(jī)械運(yùn)動(dòng)：印刷頭的橫向運(yùn)動(dòng)、印刷紙的縱向運(yùn)動(dòng)和印刷針的運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)是由軟件控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過一些精密機(jī)械進(jìn)行的，其中打印頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(也稱為字符車機(jī)構(gòu))是采用步進(jìn)電機(jī)和齒輪減速裝置，由同步齒帶驅(qū)動(dòng)汽車的橫向運(yùn)動(dòng)，其步進(jìn)速度由單位時(shí)間內(nèi)的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)決定--通過改變步進(jìn)速度可以改變打印字距。

3.電腦繡花機(jī)驅(qū)動(dòng)

電腦繡花機(jī)是在電腦縫紉機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?？p紉機(jī)多年來一直以機(jī)械技術(shù)為主，自20世紀(jì)70年代以來一直被引入縫紉機(jī)領(lǐng)域。開始進(jìn)入微機(jī)控制的機(jī)電一體化時(shí)代。計(jì)算機(jī)縫紉機(jī)采用微處理器進(jìn)行四軸數(shù)控.數(shù)控系統(tǒng)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)沿x≤y方向驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)，同時(shí)監(jiān)視驅(qū)動(dòng)刺繡針上下運(yùn)動(dòng)的主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而控制x≤y工作臺(tái)和刺繡針的間歇運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上。電腦縫紉機(jī)還增加了斷線檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能模塊。使其工作穩(wěn)定方便。

怎樣選擇步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器

? 判斷需多大力矩： 靜扭矩是選擇步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)之一。負(fù)載大時(shí)，需采用大力矩電機(jī)。力矩指標(biāo)大時(shí)，電機(jī)外形也大。

? 判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度： 轉(zhuǎn)速要求高時(shí)，應(yīng)選相電流較大、電感較小的電機(jī)，以增加功率輸入。且在選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)采用較高供電電壓。

? 選擇電機(jī)的安裝規(guī)格： 如57，86，110等，主要與力矩要求有關(guān)。

? 確定定位精度和振動(dòng)方面的要求情況：判斷是否需細(xì)分，需多少細(xì)分。

? 根據(jù)電機(jī)的電流、細(xì)分和供電電壓選擇驅(qū)動(dòng)器。