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。

2．

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

的通电顺序,可方便地控制电动机的下反转。只要维持绕组电流不变。可有电磁力矩维持其定位位置,不需附加机械制动装置。在经济型数控机床中，用步进电机驱动的开环伺服系统，具有结构简单，容易调整的特点。步进电机将进给脉冲转换具有一定为方向，大小和速度的机械角位移，带动工作台移动。步进电动机驱动装有这么多优点,所以常用做数控机床开环进给的驱动电动机。现大多采用功率式步进电动机。如图1:

图1 步进电动机驱动工作台典型结构

在驱动中,常采用减速齿轮以作匹配。同采用减速齿轮后可容易配置出所要求的脉冲当量,减少工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量;增大工作台推力。

在实际中,往往仅知道工作台的质量M (或重量W)与导轨间的磨擦系数μ,以及对机床的加工精度要求,或脉冲当量,如: 0. 01mm、0. 05mm 等。可先选择丝杠, 这样,丝杠的长度l,公称直径d,螺距S,传动效率η等参数均可知道。另外,步进电动机的各种性能参数于其配套的驱动电源有限,不同控制方式的驱动功率放大电路及其电压,电流等参

数不同,都会使步进电动机的输出特性发生很大的变化。因此,步进电动机一定要与其配套驱动电流一起考虑选择。

4.步进电机控制摄像头在视频图像监控系统中的应用

视频图像监控系统在银行、公安、交通、科研和一些重要的需要实时监控的部门中得到了广泛的应用。摄像头及其驱动装置是视频图像监控系统中的重要组成部分之一。但是在实际应用中，如采用步进电机控制摄像头，常常会出现图像抖晃现象。为了减少低速下的机械振荡, 改善图像质量,采用步进电机的细分驱动是一种比较理想的解决方法。所谓细分驱动，就是把步进电机运行的一整步细分为若干个小步，把原来的电流变化从阶跃函数转变为正弦函数规律变化的电流，从而减小了加速度，消除了机械振荡，改善了图像质量。

例如两相混合式步进电机39B YG009，它的步距角为1.8°。39B YG009 步进电机有A、B两相绕组，它的通电方式为：如果通电的顺序反相，则步进电机反走。当步进电机由A 、B 相通电转为B 、A 相通电时，步进电机转过1.8°，即一个整步。当电机连续转过四步后，完成一个循环，我们可以认为它转过了电磁角一周，即360°，每步即为90°的电磁角度。当电机低速运行时，由于相序转换造成的速度冲击，会使得电机转子在平衡位置反复振荡，影响运行精度。为了使步进电机运行更平稳，在电磁矢量A与B之间插入若干步，每步转过的角度α=90/n，为保证电机运行平稳、转距不变,矢量的模应为常数，且与A或B相等，即矢量的终点应在矢量圆上。当插入第一步时，矢量转过α角度，这时A相电流应为+A cosα，B 相电流为+ B sinα；插

入第二步时，矢量转过2α角度，这时A相电流应为+A cos2α，B相电流为+B sin2α；以此类推，需保证角度的均分。同样，当矢量转入第四象限时，在第四象限同样插入相同的步数，而这时通电的方向应为BA，电流计算方法同第一象限。第三、第二象限也如此。所以要在两步之间插入若干步，只要控制电机绕组的电流生成若干个台阶即可，但为了保证运行精度，台阶数也必须为整数。

5.步进电机在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，都可以用步进电机来可靠完成。

1．用于间歇式包装机

x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杆机构间歇拉带方式，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：袋长控制模式和色标控制模式。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。色标模式配备有光电开关，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，步进电机按到信号后，停止转动，延时一定时间后，再转动供膜，周而复始，保证按照色标的位置定长供膜。

2．用于连续式包装机

在连续工包装机中，步进电机是连续转动的，包装膜被均匀的连续输送，当改变袋长时，只需通过拨码开关就可以实现。

四、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。特别对于有色档的包装膜，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堆积的情况，由于横封轮的直径是恒定的，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，否则封口吵严。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。为了实现良好的封口质量，还可以通过步进电机对横封轮实现非衡速的控制模式，就是在横封的每一点上都实现速度同步。

预计未来步进电机的研究还会持续深入下去，研究方向之一是电机与驱动的一体化，使步进电机体积更小巧、性能更优越，性价比更高，在大量的民用设备中批量化使用，如家庭机器人、民用智能化设备等；研究方向之二是在功率或机座号相对较大的步进电动机中，与属于BIDCM（稀土永磁无刷直流电机）的交流伺服电动机系统会合，具体来说可能会借鉴交流伺服系统的控制技术，但保留了部分步进电动机的特点，形成一种新的“步进伺服电动机”或“伺服步进电动机”，在克服低频振荡、高频过载能力小、快速性不足和效率低等方面取得突破性进展，从而在现代军事、精密机械加工、航空航天等领域的应用越来越深入．