步进电动机的应用

步进电机工作原理

步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。

步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成；二是驱动器（信号放大器），它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能，事实上它在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。

步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降；当频率增加时，速度就加快。还可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度。

步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。在包装机控制中，给定脉冲数的多少，还与机构的参数有关，例如螺杆的直径等。

在包装机械中，很多情况下需要控制执行机构的运行速度和运行位置，以前都是通过机械或其它方式来完成的，机构复杂、调节不易。改用步进电机后，不仅能使包装机械结构变得简单、调节方便、可靠性增加，而且粗度会得到很大提高。

步进电机的应用

随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用, 步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。步进电机除了结构简单、使用维护方便、工作可靠, 在精度高等特点。还有下列优点: ①步距值不受各种干扰因素的影响。转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率。转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。②误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差, 走任意步数以后, 也总有一定的误差。但每转一圈的累积误差为零, 所以步距的误差不积累。③控制性能好。起动、转向及其他任何

运行方式的改变, 都在少数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时, 任何运行方式都不会丢一步的。

由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。

1．步进电机在物料计量方面的应用

1.粉状物料的计量

螺杆计量是常用的容积式计量方式，它是通过螺杆旋转的圈数多少来达到计量的多少，为了达到计量大小可调和提高计量精度的目的，要求螺杆的转速可调和位置定位准确，使用步进电机可以同时满足这两个方面的要求。

例如粉剂包装机的计量采用了步进电机控制螺杆的转速和转数，不仅简化了机械结构，而且使得控制非常方便。在不过载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，这与电磁离合器控制的螺杆计量相比，具有明显的精度优势，更加适合于比重变化比较大的物料计量。

步进电机与螺杆采用直接连接的方式，结构简单，维修方便。值得指出的是，如步进电机的过载能力较代，当轻微过载时，就会出现相当大的噪声。因此，在计量工况确定以后，就要选用较大的过载系

数，以保证步进电机平衡工作。

2.粘稠体物料的计量

齿轮泵在输送粘稠体方面得到了广泛的应用，例如糖浆、白酒、油料、番茄酱等的输送。目前在对这些物料的计量方面大多使用活塞泵，存在着调整困难、结构复杂、不便维修、功耗大、计量不准等缺点。而齿轮泵计量是靠一对齿轮啮合转动计量的，物料通过齿与齿的空间被强制从进料口送到出料口。动力来自步进电机，步进电机转动的位置及速度由可编程控制器控制，计量精度高于活塞泵的计量精度。

步进电机适于在低速下运行，当速度加快时，步进电机的噪声会明显加大，其它经济指标会显著下降。对于转速比较高的齿轮泵来说，选用升速结构比较好。我们在粘稠体包装机上开始采用的是步进电机直联齿轮泵的结构，噪声难以避免，采用直齿轮升速的办法，降低了步进电机的速度，噪声得到了控制，可靠性也有所提高，计量精度得到了保证。

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2.步进电动机在红外窑炉监控系统中的应用

回转窑筒体温度红外扫描计算机监测系统由安装在控制室的工业计算机系统和安装在窑体现场的红外测温仪、窑体位置编码器(码盘) 、窑体同步信号发生器及现场设备箱体等组成。通过检测窑体的同步信号和码盘数据来控制步进电动机的速度及方向,即红外扫描的速度和方向；采集当前温度值及码盘数据并向上位机实时传送,通过上位机完成数据的存储、显示、报警。

窑体的一端装有同步触发装置及测量旋转角度的码盘。在测量过

程中,窑体本身作旋转运动,由步进电动机所带的红外探头作轴向扫描。红外探头的扫描检测为单方向的,即沿轴向从左向右扫描采集温度值,遇到右限位开关则快速返回不进行采集数据。规定在窑炉的一个旋转周期内每隔90°为一个新的扫描起。窑炉旋转一周完成四次轴向扫描;在下一个窑炉旋转周期内的起始扫描位置将滞后于前一个旋转周期内的起始扫描点9°,这样窑炉旋转10周可以实现一个完整的窑体体表温度扫描过程,保证整个炉面没有盲区。

因为步进电动机的角位移量与输入脉冲严格成正比关系,步进电动机没有累计误差,具有良好的开环跟随性;动态响应快,调速与定位控制性能好;角位移变化范围宽,而且通过驱动器的分析,控制精度将大幅度提高。采用二相步进电动机,由步进电动机驱动红外探头作轴向扫描,配套驱动器为RD - 0214M8,可以实现八细分,最小步距角为01225°。在轴向扫描采样过程中,虽然采样点的间隔是均匀的,但步进电动机在每次抵达下一个采样点时所转过的角度不同,必须根据扫描距离的变化动态调整步进电动机的脉冲数。而且调整规则与红外探头相对于窑炉的安装位置有关,窑炉旋转速度变化则采集的速度作相应变化,旋转到预定位置即进行采样。

3.步进电动机在数控机床中的应用

对普通机床的数控改造,是数控技术应用的重要一方面,特别是对我国在本世纪来说,就显得尤为重要。步进电动机驱动装置可直接接收指令脉冲信号,且可直接将脉冲号变为角位移,角位移与输入脉冲数成严格的比例关系。它的转速与控制脉冲频率成正比。改变绕组