步进电动机应用及发展趋势[论文]

浅析步进电动机的应用及发展趋势

步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电

动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。

一、步进电动机的基本结构与工作原理

步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位

移的机电执行元件。每当输入一个电脉冲，电动机就转动一个角度前进一步。脉冲一个一个地输入，电动机便一步一步地转动，因此，这种电动机称为步进电动机。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序，就可以得到各种需要的运行特性，因而广泛用于数字控制系统中。在数控开环系统中作为一种伺服驱动元件。二、步进电动机的应用

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位的数字执行部件，因此它在数字控制系统中、程序控制系统及许多航天工业系统中得到了应用。随着微型计算机的发展，步进电动机得到了更广泛的应用，有相当一部分步进电动机正应用在计算机的外部设备如打印机、纸带输送机构、卡片阅读机、主动轮驱动机构和磁盘存储器

存取机构等。

1、步进电动机驱动系统在数控铣床中的应用

在进给伺服系统中，步进电动机需要完成两项任务：一是传递转矩，这应克服机床工作台与导轨间的摩擦力及切削阻力等负载转矩，通过滚珠丝械带动工作台，按指令要求快速进退或切削加工；另外是传递信息，即根据指令要求精确定位，接收一个脉冲，步进电动机就转过一个固定的角度，经过传动机构驱动工作台，使之按规定方向移动一个脉动当量的位移。因此指令脉冲总数也就决定了机床的总位移量，而指令脉冲的频率决定了工作台的移动速度。每台步进电动机可驱动一个坐标的伺服机构，利用两个或三个坐标轴联运就能加工出一定几何开头的零件来。这种微机控制系统没有位置检测反馈装置，因此是一个开环系统。这种系统简单可靠、成本低、易于调整和维护，但精度不高。

2、步进电动机用于点位控制的闭环控制系统

在数控机床中，为了及时掌握工作台实际运动情况，系统中装有位置检测反馈装置。位置检测装置测得的工作台实际位置与指令位置相比较，然后用它们的差值（即误差值）进行控制，这就是闭环控制。

3、步进电机在印刷机械供送包装膜中的应用

在制袋、充填、封口为一体的包装机中，要求包装用塑料薄膜定位定长供给，无论间歇供给还是连续供给，都可以用步时电机来可靠完成。

（1）用于间歇工包装机

间歇式包装机使用步进电机供膜，可靠性可以得到提高。以前的包装膜供送多采用曲柄连杠机构间歇拉带的方式，结构复杂，调整困难，特别是当需要更换产品时，不仅调节困难，而且包装膜浪费很多。采用步进电机与拉带滚轮直接连接拉带，不仅结构得到了简化，而且调节极为方便，只要通过控制面板上的按钮就可以实现，这样既节省了调节时间，又节约了包装材料。

在间歇式包装机中，包装材料的供送控制可以采用两种模式：袋长控制模工和色标控制模式。袋长控制模式适用于不带色标的包装膜，通过预先设定步进电机转速的方法实现，转空比的设定通过拨码开关就可以实现，色标模工配备有光电开关，光电开关检测色标的位置，当检测到色标时，发出控制开关信号，步进电机接到信号后，停止转动，延时一定时间后，再转动供膜，周而得始，保证按照色标的位置定长供膜。

（2）用于连续包装机

在连续式包装机中，步进电机是转动的，包装膜被均匀的连续输送，当改变袋长时，只需要通过拨码开关就可以实现。

（3）步进电机在横封中的应用

在连续式包装机中，横封是一个很重要的执行机构，也是包装机中比较复杂的机构之一。特别对于有色标的包装膜，其封口和切断位置要求极其严格，为了提高切断的准确性，人们先后研制了偏心链轮机构、曲柄导杆机构等，但这些机构都存在着调整十分麻烦、

可靠性低的缺点。造成这些缺点的主要原因是工艺要求横封轮定速横封和定位切断。

步进电机直接驱动横封轮可以实现速度同步。连续式包装机的供膜轮是连续供膜的，横封时要求横封的线速度与薄膜供送的速度同步，以免出现撕裂薄膜和薄膜的情况。由于横封轮的走私是恒定的，当改变袋长时，就需要通过改变横封轮的转速来改变，但是横封需要一定的时间，就是说横封轮与薄膜从接触到离开需要恒定的时间，否则封中不严。横封轮每转一周的总时间与横封所需要的时间都是恒定的，要满足速度同步的要求，可以将步进电机一周内的转速分成两部分，一部分首先满足速度同步的要求，而另外空载的部分满足一周总时间的要求。

三、步进电动机的发展趋势

当前紧有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：

发展趋势之一，是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士escap公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。

发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高

30%-40%。

发展均势之三，对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。

发展趋势之四，向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。