步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī),是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件,應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度,稱為“步距角”,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的??梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。
步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī),它的工作原理是利用電子電路,將直流電變成分時(shí)供電的,多相時(shí)序控制電流,用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電,步進(jìn)電機(jī)才能正常工作,驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的,多相時(shí)序控制器。
雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用,但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī),交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事,它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件,是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增,在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。
其原始模型是起源于年至年間。年前后開始以控制為目的的嘗試,應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機(jī)。二十世紀(jì)初,在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電機(jī)。由于西方資本主義列強(qiáng)爭(zhēng)奪殖民地,步進(jìn)電機(jī)在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上,對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后,由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn),步進(jìn)電機(jī)的控制方式更加靈活多樣。
步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于其它控制用途電機(jī)的最大區(qū)別是,它接收數(shù)字控制信號(hào)電脈沖信號(hào)并轉(zhuǎn)化成與之相對(duì)應(yīng)的角位移或直線位移,它本身就是一個(gè)完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制,輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就得到一個(gè)規(guī)定的位置增量,這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比,其成本明顯減低,幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入的脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比,而且在時(shí)間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序,即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。
我國(guó)的步進(jìn)電機(jī)在二十世紀(jì)七十年代初開始起步,七十年代中期至八十年代中期為成品發(fā)展階段,新品種和高性能電機(jī)不斷開發(fā),目前,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是永磁材料、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使步進(jìn)電機(jī)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
作為一種控制用的特種電機(jī),步進(jìn)電機(jī)無法直接接到直流或交流電源上工作,必須使用專用的驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在微電子技術(shù),特別計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展以前,控制器脈沖信號(hào)發(fā)生器完全由硬件實(shí)現(xiàn),控制系統(tǒng)采用單獨(dú)的元件或者集成電路組成控制回路,不僅調(diào)試安裝復(fù)雜,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路。這就使得需要針對(duì)不同的電機(jī)開發(fā)不同的驅(qū)動(dòng)器,開發(fā)難度和開發(fā)成本都很高,控制難度較大,限制了步進(jìn)電機(jī)的推廣。
步進(jìn)電機(jī)從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(Variable Reluctance,VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)Permanent Magnet,PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(Hybrid Stepping,HS)、單相步進(jìn)電機(jī)、平面步進(jìn)電機(jī)等多種類型,在我國(guó)所采用的步進(jìn)電機(jī)中以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能與控制方式有密切的關(guān)系,步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)從其控制方式來看,可以分為以下三類:開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中一般歸類于開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中。
永磁式:永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成,轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大,但這種電機(jī)精度差,步矩角大(一般為7.5°或15°)。
混合式:混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn),其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料,轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好,步距角小,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。
雖然步進(jìn)電機(jī)已蓋過了過去由伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),它已成為首選的技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域。 這個(gè)趨勢(shì)的主要因素的步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制的流行,微處理器的出現(xiàn),改善設(shè)計(jì)(即高扭矩模型),并降低成本。 今天,步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用在我們周圍:它們用于打印機(jī)(進(jìn)紙,打印輪),磁盤驅(qū)動(dòng)器,鐘表,以及用于工廠自動(dòng)化和機(jī)械。 步進(jìn)電機(jī)是最常發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要位置控制。
步進(jìn)電機(jī)是用在許多行業(yè)
步進(jìn)電機(jī)已成為一個(gè)重要的組件應(yīng)用在許多不同的行業(yè)。 下面列出的行業(yè)利用步進(jìn)電機(jī):
? 飛機(jī) ——在航空工業(yè)中,步進(jìn)電機(jī)用于飛機(jī)設(shè)備,天線和遙感應(yīng)用程序和設(shè)備掃描
? 汽車 ——應(yīng)用程序有關(guān)的汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)巡航控制、傳感設(shè)備和攝像機(jī)。 美國(guó)軍方還利用步進(jìn)電機(jī)的定位天線中的應(yīng)用
? 化學(xué) ——化工利用步進(jìn)電機(jī)混合和抽樣的材料。 他們還利用步進(jìn)電機(jī)控制器與單一和多軸步進(jìn)電機(jī)設(shè)備測(cè)試
? 消費(fèi)電子產(chǎn)品和辦公設(shè)備 ——在消費(fèi)電子行業(yè),步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)對(duì)焦和變焦功能特性。 在辦公設(shè)備,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在基于pc的掃描設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器,光盤驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)制、打印機(jī)和掃描儀
? 游戲 ——在游戲行業(yè),步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于應(yīng)用程序像槽和彩票機(jī)、紡紗輪,甚至卡洗牌者
? 工業(yè) ——在工業(yè)行業(yè),步進(jìn)電機(jī)用于汽車儀表、機(jī)器工具單一和多軸步進(jìn)電機(jī)控制器,和改造工具,利用步進(jìn)電機(jī)控制器。 也可以在數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制
? 醫(yī)療 在醫(yī)療行業(yè),利用步進(jìn)電機(jī)在醫(yī)學(xué)掃描儀,微觀或納米運(yùn)動(dòng)控制的自動(dòng)化設(shè)備,水泵,和色譜儀auto-injectors。 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)還發(fā)現(xiàn)數(shù)字口腔攝影(x射線),液體泵,呼吸器,和血液分析機(jī)械、離心機(jī)
? 科學(xué)儀器 科學(xué)設(shè)備實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的定位天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡,光譜儀,和離心機(jī)
? 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) ——步進(jìn)電機(jī)用于攝像頭監(jiān)控
Phytron 步進(jìn)電機(jī)系列
Autonics/奧托尼克斯 AK-G 系列
AMCI/艾美柯 步進(jìn)電機(jī) SMD23E-130E-M12 系列
ElectroCraft 步進(jìn)電機(jī) TPP34及TPP34M 系列
Ewhof 步進(jìn)電機(jī) KS系列