步進(jìn)電動(dòng)機(jī)詳解及其在國內(nèi)外的發(fā)展概況

崔淵博 王國霖 過雨莊

摘 要：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用與生產(chǎn)實(shí)踐中的各個(gè)領(lǐng)域，也是很多領(lǐng)域不可或缺的元件，通過分析它的技術(shù)含量無疑可以間接窺探一個(gè)國家的科技發(fā)展水平。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；脈沖信號(hào)

1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是把電脈沖信號(hào)變換成角位移、直線位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的微型特種電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制裝置中作為執(zhí)行元件。每當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)一個(gè)固定的角度或者直線位移，而且其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖個(gè)數(shù)及頻率有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因其本身的特點(diǎn)，在具體的應(yīng)用中有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化和低成本，因而多用于數(shù)字式計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備、打印機(jī)、機(jī)器人四肢、繪圖機(jī)和磁盤等裝置，特別是是在人形機(jī)器人領(lǐng)域，其步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能的高低很大程度上決定了人形機(jī)器人的先進(jìn)程度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源由變頻脈沖信號(hào)源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，此驅(qū)動(dòng)電源向電機(jī)繞組提供脈沖電流。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能取決于電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電源間的良好配合。

2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類及其特點(diǎn)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其工作原理可以分為永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HM）三種基本類型。

永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子上有多項(xiàng)繞組，轉(zhuǎn)子上有永磁體的磁極，從而在產(chǎn)生極性交替的磁場(chǎng)，如果勵(lì)磁的變化太快就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不能和定子磁場(chǎng)方向的變化保持同步，這種現(xiàn)象稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的失步。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是它的轉(zhuǎn)矩較小、起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率比較低，優(yōu)點(diǎn)是其體積小、運(yùn)行效率高、消耗的功率比較小以及制造成本低。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)角一般可分為7.5°、15°、18°、45°等幾種。

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也稱為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其定子、轉(zhuǎn)子鐵芯的內(nèi)外表面上均設(shè)有按一定規(guī)律分布的相近齒槽，利用定子、轉(zhuǎn)子鐵芯齒槽的相對(duì)位置變化引起磁路磁阻的變化，從而輸出大轉(zhuǎn)矩。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式較多，定子鐵芯有單段式、多段式，磁路有徑向、軸向，繞組相數(shù)有三相、四相、五相。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角可做到1°～15°，甚至更小，因此精度容易保證，起動(dòng)頻率與運(yùn)行頻率較高，但是功耗大、效率較低。

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是指結(jié)合了永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)步距角小、精度高、工作頻率高、且功耗小、效率高。它的定子、轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似，轉(zhuǎn)子有永磁體在氣隙中產(chǎn)生單極性磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)還被轉(zhuǎn)子上軟磁材料的齒槽調(diào)制步進(jìn)角一般有0.72°和1.8°兩種，這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用與生產(chǎn)實(shí)踐中的各個(gè)領(lǐng)域，也是很多領(lǐng)域不可或缺的元件，通過分析它的技術(shù)含量無疑可以間接窺探一個(gè)國家的科技發(fā)展水平。

3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換就能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或者直線位移，進(jìn)而經(jīng)過適當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、調(diào)整運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，所以說步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是數(shù)控機(jī)床最理想的驅(qū)動(dòng)元件。早期的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在數(shù)控機(jī)床上單獨(dú)作為執(zhí)行元件，比如有些大轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不需要經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩放大就可以直接和主軸相連。

3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)械手中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按照設(shè)定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運(yùn)工件或者借助操持工具進(jìn)行工作的機(jī)電一體化自動(dòng)裝置。大多數(shù)現(xiàn)代化工廠里都會(huì)有很多機(jī)械手，因?yàn)闄C(jī)械手不僅讓人從繁重、枯燥的事務(wù)中解放出來，而且它能干很多工人不能做的工作，比如搬運(yùn)汽車生產(chǎn)線上沉重的工件，不僅更快速更安全而且更加高效，從而大大提高了工廠的產(chǎn)能，因此工業(yè)機(jī)械手是建設(shè)現(xiàn)代化工廠和無人化工廠所不可或缺的。工業(yè)機(jī)械手的控制方式有液壓式、氣壓式和電機(jī)式等。液壓式和氣壓式機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制，但是系統(tǒng)定位需要限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，控制精度、可靠性和靈活性均不如電機(jī)式機(jī)械手，不利于生產(chǎn)的自動(dòng)化。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以精確控制機(jī)械手各個(gè)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)向的角度和方向，借助其他夾持裝置可以完成油漆噴涂、工件抓取和產(chǎn)品裝配等多種工作。

3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在提升裝置中的應(yīng)用

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘咧本€位移，而且在不超載時(shí)，它的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和個(gè)數(shù)，并不受負(fù)載變化的影響，這一特性使其被廣泛應(yīng)用在要求速度、位置準(zhǔn)確控制的提升裝置中，比如礦井的提升裝置、垂直式電梯和轉(zhuǎn)塔式吊機(jī)等。

4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在我國的發(fā)展概況

我國步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究及制造起始于1958年，當(dāng)時(shí)只有清華大學(xué)、華中理工大學(xué)等少數(shù)高等院校為研究一些裝置而開發(fā)的少量產(chǎn)品，盡管晚于西方發(fā)達(dá)國家長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年之久，但經(jīng)過近60年的大發(fā)展，我國已經(jīng)開發(fā)了門類眾多、性能優(yōu)良的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，有些甚至處于世界領(lǐng)先水平。但總體看來，我國的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在全球的競(jìng)爭(zhēng)中總體上處于相對(duì)弱勢(shì)地位。我國步進(jìn)電動(dòng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展極不平衡，兩極分化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，只有極少數(shù)處于高端地位，絕大多數(shù)處于低端領(lǐng)域，這些處于低端領(lǐng)域的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)制造企業(yè)并非專門從事步進(jìn)電動(dòng)機(jī)研發(fā)、制造業(yè)務(wù)，它們只是在開展其他電機(jī)業(yè)務(wù)的同時(shí)順帶開展步進(jìn)電動(dòng)機(jī)業(yè)務(wù)，而且其產(chǎn)品多為應(yīng)用于家電、辦公設(shè)備等領(lǐng)域的中低端步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)前，我國正處在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的過程中，政府提出了“工業(yè)4.0”和“物聯(lián)網(wǎng)+”的大產(chǎn)業(yè)布局，作為機(jī)電一體化的重要產(chǎn)品，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的地位將會(huì)越來越重要，其市場(chǎng)前景無限光明，因此，我們應(yīng)該充分利用這個(gè)寶貴機(jī)會(huì)加大發(fā)展這一行業(yè)的力度，努力追趕和超越發(fā)達(dá)多家。

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