步进电机的原理与应用设计

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1、步进电机随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。步进电机是一种能够将电子脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步进电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转为多相脉冲信号，在经过

2、功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲信号，电动机电动机各项的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度，也就是步距角。正常情况下步进电机转过的总角度和输入的脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电机能直接接受数字量的输入，所以特别适合微机控制。步进电机的一些特点：1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2．步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在

3、摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使

4、电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电动机有如下特点：1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比

5、。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。6）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。国内控制器的研究起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控制

6、理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。总体上来说，国内研究取得很大的进步，但无论从控制器还是从控制软件上来看，与国外相比还是具有一定差距。在国内，步进电机驱动器是从五十年代开始发展，实际上进入七十年代后才开始有较大进展至今己有较好的基础和一定的规模。七十年代，我国曾经花费了很大的力量来发展采用步进电动机系统的数控机床。众所周知，那次的发展很不成功，主要是控制系统的不可靠、不稳定所造成的。其中，步进电动机的驱动器性能较差、

7、价格昂贵、可靠性低是一个重要的原因。八十年代末开始在我国发展的经济型机床控制系统，它是一种用单板计算机和步进电机开环系统构成的简易型控制装置。由于采用了单板机控制，使得控制部件的稳定性、可靠性大为提高，成本下降。而步进电机及其驱动器仍基本上停留在较低的水平，成为这种系统发展的主要障碍。电动机的理论、设计和制造技术相对较强，驱动器的发展则是一个薄弱的环节，一方面在我国步进电机的驱动器多采用传统线路结构，性能落后;另一方面还表现在缺乏驱动器专业生产。目前我国许多厂家已研制生产出步进电机的驱动器，其技术设计基本上是引进国外的专用芯片，且其性能还存在许多

8、不足(如节能、稳定性等)，与国外产品相比还有一定距离.而对于控制器的研究国内起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控