1、1步进电动机的应用姓名学院 （）农电（）班 学号摘要：步进电机是一种纯粹的数字控制电动机，又称为阶跃电机或脉冲电机。是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可以看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。它能将输入电脉冲信号转换成机械的运动量加以输出。每一个主令脉冲都可以使步进电机的转轴前进一个步距角，并依靠它特有的定位转矩将转轴准确地锁定在空间位置上，在实际工程中有着广泛的应用，文章主要探讨了步进电动机原理、驱动电路的特点及其在各个领域的应用。关键字：步进电动机 驱动电路 数字控制 应用0 引言 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
2、用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足各种运动控制系统的要求。为了适应这些要求，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机。近 50 年来，步进电机迅速发展而成熟起来，从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电动机，异步电动机，以及同步电动机并列，成为电动机的一种基本类型，步进电机己成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。5.121 步进电机的工作原理步进电机是一种完成增量运动的电磁机械。它能将输入电脉冲信号转换成机械的运动量加以输出。每一个主令脉冲都可以使步进电机的转轴前进一个步距角，并依靠它特有的定位转矩将转
3、轴准确地锁定在空间位置上。步进电机是离散型自动化执行元件，是自动控制系统中的重要执行部件，它在系统中可实现变换脉冲数为转轴的角位移，起电磁制动器、电磁差分器、电磁减速器和角位移发生器等。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的元件，其转轴输出的角位移量与输入的脉冲个数有关，通过控制输入脉冲个数来控制步进电机的角位移量，而通过控制脉冲频率可实现调速。步进电机由定子和转子组成。定子的主要结构是绕组，两相电机即有两个绕组，其它以此类推。绕组按一定的通电顺序工作，这个通电顺序称为步进电机“相序” 。转子的主要结构是磁性转轴，当定子中的绕组在相序信号作用下有规律的通电，断电工作时，转子周围就会有
4、一个按规律变化的电磁场，因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上，转子总是力图转动到磁阻最小的位置，正是这样，让转子按一定的步距角转动，使转子发生转动。步进电机步距角 的计算公式: =360/NZ,其中 N 为步进电机中一个通电循环的拍数，Z 为转子齿数。其中常见的反应式步进电机分为转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成的。定子上有 6 个磁极( 大极) ，每 2 个相对的磁极 (N、S 极)组成 1 对，共有 3 对。每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相，这样 3 对磁极有 3 个绕组，形成三相。可以得出，四相步进电机有 4 对磁极、四相绕组，五相步进电机有 5 对磁极、5 相绕组依此类推。
5、每个磁极得内表面都分布着多个小齿，它们大小相同，间距相同。电机一旦通电，在定转子间将产生磁场(磁通量中 )当转子与定子错开一定角度产生力，力矩与电机有效体积正比，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。2 步进电动机的驱动电路步进电机驱动系统中，控制器与驱动器之间的连接分为串行和并行控制两种。串行控2制时，控制器输出时钟脉冲串和方向电平，靠驱动器中的脉冲分配器转换并行驱动信号，去控制各相绕组的导通或截止。这里时钟脉冲的有无决定了步进电机的运行或停止，脉冲频率决定步进电机运行的速度，方向电平决定运转的方向。并行控制时，控制器直接输出各相绕组导通或截止的并行信号
6、，此时，脉冲分配器设在控制器中，除了由软件来代替脉冲分配器的功能外，不论是串行控制还是并行控制，整个系统中都必须有脉冲分配器这个环节。大部分 PLC 调速器采用与该 PLC 能够配套的驱动器和对应的步进电机。步进电机可直接用数字信号控制，无需反馈可开环工作，无累积定位误差，控制精度高，因此被广泛用于数字控制和计算机控制等精密定位的控制系统中。可编程序控制器 PLC 是一种适于工业现场控制的技术平台。PLC 综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，使用面向过程、面向用户的简单编程语言，用户可通过软件设计，实现各种复杂的逻辑控制。从应用的角度来看，制约步进电机的两个问题是失步和振荡，由于步进电机
7、在大多数情况下采用开环运行的方式，它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。在多种情况下会产生失步，比如启动或停止频率超过突跳，电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了启动转矩，共振等。通过改善驱动器的性能，可以减小运行中失步的可能。步进电机低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电机在极限频率下做连续步进运行，即改变一次通电状态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的
8、自由振荡频率时电机会出现严重的低频振荡，甚至失步导致无法工作，一般不允许在共振频率下运行。5.463 步进电动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。过去, 人们认为伺服系统一定优于步进系统的观念也发生着很大的变化, 现代的步进系统已完全不是过去的步进系统。定位驱动装置已经过“步进直流伺服交流伺服”, 再度回到步进系统。步进系统的回归源自于其无需反馈就形成了开环控制系统, 使系统结构大大简化、使用维护更加方便、工作可靠, 在一般使用场合具有足够高的精度等特点。步进电动机还有下列优点: 步距值不受各种干扰因素的影响。如电压的大小、电
9、流的数值、波形及温度的变化等, 相对来说都不影响步距值。也就是说, 转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率, 而转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度(实际步距值) 与理论步距值之间总有一定的误差 , 从某一步到任何一步, 也就是走任意步数以后, 也总有一定的误差。但因每转一圈的累积误差为零, 所以步距的误差不是积累的。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失一步的。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
10、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。例如机械行业中, 在数控机床上的应用, 可以算是典型的例子。可以说步进电动机是经济型数控机床的核心。而由步进系统实现开环控制, 使得改变加工对象快捷、系统调试方便、工作可靠、成本较低的数控机床成为当前机床发展的主要方向之一。其它行业中应用实例有如: 印刷机械、包装机械、梭织机、电脑绣花机、钟表、户外自动广告牌、自动移靶机、计算机外设、自动绘图仪、吸脂机等。7.684结束语步进电机伺服系统具有价格低，简单，可靠等交直流伺服系统无法比拟的优点，但由于它的运行速度低、驱动器效率低和发热量大等缺点，使它的使用范围受到限制，针对存3在的
11、问题，随着新材料、电机设计与制造技术，电力电子技术、微电子技术、控制技术等的进步，为步进电机驱动器性能的提高提供了条件，出现了许多步进电机驱动控制方式。步进电机控制系统由控制器，驱动器和步进电机组成。它们之间是相互配套的，目前的驱动器一般都为集成产品，而不是由分离产品构成，主要应用于各种工业场合，而对于小型水电站及对步进电机要求较低的场合，良好的步进电机驱动电路，应该是能够使步进电机在较大的转速范围内都有很强的负载能力。且要运转平稳，降低噪音，还要在一定程度上提高步进精度。参考文献：1 刘志永.浅析步进电机的 PLC 控制技术与发展趋势J.科技资讯,2006,(27).2 孙平.邢军.PLC 控制步进电机驱动系统J.河南师范大学学报 (自然科学版),2001,(4).3 王赟.刘伟.基于 PLC 的步进电动机控制系统的设计J.科技信息,2009,(5).4 石洋.PLC 驱动控制步进电机的设计与实现J.中国新技术新产品 ,2009,(5).5 华大龙.杨晔.潘汉怀.步进电动机原理及其驱动电路研究6 杨宜民. 新型驱动器及其应用M .机械工业出版社, 19971.7 朱宇.王伟. 步进电动机的应用M. 西安微电机研究所
