步进电机的工作原理及其优缺点

步进电机在自动化与数字控制领域中，有着比较乐观的发展前景，和计算机控制技术相结合，能比较精确的控制步进电机运转。在合适的工作场合中，若控制得当，步进电机的工作性能甚至可以与直流伺服电机相比。

步进电机的特点 　　步进电机和普通电机的最大区别，在于步进电机完全由脉冲信号驱动和控制，步进电机的运转不受负载变化的影响。步进电机的转速和停止位置，只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。步进电机的这种特点决定了设计。

步进电机又称为脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。其原始模型是起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。1923年，James Weir French发明三相可变磁阻型(Variable reluctance)，此为步进电机前身。二十世纪初，步进电机广泛应用在了电话自动交换机中。由于西方资本主义列强争夺殖民地，步进电机在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中得到了广泛的使用。二十世纪五十年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到了八十年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式更加灵活多样。

一、步进电机的工作原理

步进电机是一种多用途的旋转传动装置，它能够以一种有序的方式旋转。步进电机的特点是能捕捉外部信号，以角度或位移运动作为输出，而这些角度与位移是由外部信号所控制的。该运动传动装置具有低成本、高精度、高效率和高可靠性的优点。

步进电机的工作原理可以分为两个步骤：捕捉外部信号和传输信号。

首先，步进电机捕捉由数字信号控制装置发出的电磁脉冲信号，其次，步进电机通过比较器将电磁脉冲信号转换成角度信号。由此，由数字控制装置发出的电磁脉冲信号被步进电机捕捉和转化为角度信号，步进电机便可以传递外部信号。

最后，步进电机将外部信号转化为扭矩信号，以实现位移或角度的运动作为输出。此外，这种运动传动装置还可以利用电磁位移或转角反馈装置来产生有关步进电机的运动位置或速度的闭环反馈信号，以确保精确的运动控制。

二、步进电机的特点

步进电机是一种可编程控制的运动传动装置，它能够以一种有序的方式旋转，可以准确地实现高精度、高效率和高可靠性的角度或位移运动控制。步进电机具有如下优点：

1.捕获电磁脉冲输入信号;

2.输出信号能够准确按照电磁脉冲的指令执行;

3.旋转角度比较精确，能够实现微调;

4.开口性佳、功率低、安全可靠，对环境系统友好;

5.结构简单灵活，无丝轮，减少结构的积累;

6.灵敏度高，容易控制;

7.比较低的成本。

三、步进电机的优缺点

步进电机具有良好的抗电磁干扰能力、可靠性高、价格低廉等优点，可用于机械臂、机械手、自动取料装置、电子钢尺等控制工具及机械对位调整系统等场合，可以替代传统电机和伺服电机。

但是，由于步进电机具有转动惯量较大、扭矩较小、突变响应较慢等缺点，使其在某些高速、高精度的控制系统中尚不能取代传统电机或伺服电机。此外，由于没有电磁位移反馈装置，步进电机的准确性和精度要低于传统电机和伺服电机，所以在仪器仪表、医疗器械、汽车动力系统等领域也没有得到更广泛的应用。

步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是，它接收数字控制信号(电脉冲信号)并转化成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比,其成本明显减低，几乎不必进行系统调整。步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序,即可获得所需的转角、速度和方向。

步进电机具有快速启停、定位的特点，在数字控制领域经常使用步进电机作为位置控制的执行机构。步进电机在快速运行中，要求驱动电路提供给步进电机绕组的驱动电流尽可能地接近其技术指标要求的数值，以产生足够的转矩。由于步进电机是感性负载，当运行速度提高后要提高绕组的工作电流，必须提高电源电压。实际应用中，常采用的控制方式是高低压恒流斩波控制。

步进电机应用领域非常广泛，主要有四个方面：

1、工业机器 步进电机用于汽车仪表和机床自动化生产设备。机器人制造、检验和工艺流程。

2、安防 安防业新的监控产品，包括安防摄像机PAN/ZOOM/TILT。

3、医疗 步进电机用于医用扫描仪、采样器，还有在数字口腔摄影中见到的液压泵、呼吸机和血液分析仪。

4、消费电子 步进电机在摄像机中提供自动数码相机对焦和变焦功能。此外，还有商用机器应用、电脑周边应用。

1.软盘驱动器

软盘存储器是一种非常简单的计算机外部信息存储装置。当软盘插入驱动器时，伺服电机驱动主轴旋转，使盘片在盘套中旋转。磁头安装在磁头小车上，步进电机通过传动机构驱动磁头小车。步进角转换成磁头的位移。读取和写入磁盘数据。步进电机的每一行走得更远，磁头移动一个轨道。

2.针式打印机驱动

针式打印机利用机械驱动和电路驱动的原理，使印刷针击中丝带和印刷介质，然后打印出网点矩阵，然后由字符或图形组成，完成打印任务。从结构上讲，针式打印机由印刷机和驱动控制电路组成。印刷过程中有三种机械运动：印刷头的横向运动、印刷纸的纵向运动和印刷针的运动。这些运动是由软件控制驱动系统通过一些精密机械进行的，其中打印头驱动机构(也称为字符车机构)是采用步进电机和齿轮减速装置，由同步齿带驱动汽车的横向运动，其步进速度由单位时间内的驱动脉冲数决定--通过改变步进速度可以改变打印字距。

3.电脑绣花机驱动

电脑绣花机是在电脑缝纫机的基础上发展起来的。缝纫机多年来一直以机械技术为主，自20世纪70年代以来一直被引入缝纫机领域。开始进入微机控制的机电一体化时代。计算机缝纫机采用微处理器进行四轴数控.数控系统控制两个步进电机沿x≤y方向驱动工作台进行平面运动，同时监视驱动刺绣针上下运动的主轴电机的旋转，从而控制x≤y工作台和刺绣针的间歇运动。在此基础上。电脑缝纫机还增加了断线检测、数据存储等功能模块。使其工作稳定方便。

怎样选择步进电机和驱动器

• 判断需多大力矩： 静扭矩是选择步进电机的主要参数之一。负载大时，需采用大力矩电机。力矩指标大时，电机外形也大。

• 判断电机运转速度： 转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入。且在选择驱动器时采用较高供电电压。

• 选择电机的安装规格： 如57，86，110等，主要与力矩要求有关。

• 确定定位精度和振动方面的要求情况：判断是否需细分，需多少细分。

• 根据电机的电流、细分和供电电压选择驱动器。