步進電動機詳解及其在國內外的發展概況

崔淵博 王國霖 過雨莊

摘 要：步進電動機廣泛應用與生產實踐中的各個領域，也是很多領域不可或缺的元件，通過分析它的技術含量無疑可以間接窺探一個國家的科技發展水平。

關鍵詞：步進電動機；脈沖信號

1 步進電動機簡介

步進電動機又稱脈沖電動機，是把電脈沖信號變換成角位移、直線位移以控制轉子轉動的微型特種電動機，在自動控制裝置中作為執行元件。每當步進驅動器接收到一個脈沖信號，就驅動步進電動機前進一個固定的角度或者直線位移，而且其輸出轉角、轉速與輸入脈沖個數及頻率有著嚴格的對應關系。步進電動機因其本身的特點，在具體的應用中有利于實現設備的小型化和低成本，因而多用于數字式計算機的外部設備、打印機、機器人四肢、繪圖機和磁盤等裝置，特別是是在人形機器人領域，其步進電動機性能的高低很大程度上決定了人形機器人的先進程度。步進電動機的驅動電源由變頻脈沖信號源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，此驅動電源向電機繞組提供脈沖電流。步進電動機的運行性能取決于電動機與驅動電源間的良好配合。

2 步進電動機的分類及其特點

步進電動機按其工作原理可以分為永磁式步進電動機（PM）、反應式步進電動機（VR）和混合式步進電動機（HM）三種基本類型。

永磁式步進電動機定子上有多項繞組，轉子上有永磁體的磁極，從而在產生極性交替的磁場，如果勵磁的變化太快就會導致轉子不能和定子磁場方向的變化保持同步，這種現象稱為步進電動機轉子的失步。永磁式步進電動機的缺點是它的轉矩較小、起動頻率和運行頻率比較低，優點是其體積小、運行效率高、消耗的功率比較小以及制造成本低。永磁式步進電動機的步進角一般可分為7.5°、15°、18°、45°等幾種。

反應式步進電動機也稱為磁阻式步進電動機，其定子、轉子鐵芯的內外表面上均設有按一定規律分布的相近齒槽，利用定子、轉子鐵芯齒槽的相對位置變化引起磁路磁阻的變化，從而輸出大轉矩。反應式步進電動機結構形式較多，定子鐵芯有單段式、多段式，磁路有徑向、軸向，繞組相數有三相、四相、五相。反應式步進電動機步距角可做到1°～15°，甚至更小，因此精度容易保證，起動頻率與運行頻率較高，但是功耗大、效率較低。

混合式步進電動機是指結合了永磁式步進電動機和反應式步進電動機的優點，電動機步距角小、精度高、工作頻率高、且功耗小、效率高。它的定子、轉子鐵芯結構與反應式步進電動機相似，轉子有永磁體在氣隙中產生單極性磁場，此磁場還被轉子上軟磁材料的齒槽調制步進角一般有0.72°和1.8°兩種，這種步進電動機的應用最為廣泛。

3 步進電動機的應用

步進電動機廣泛應用與生產實踐中的各個領域，也是很多領域不可或缺的元件，通過分析它的技術含量無疑可以間接窺探一個國家的科技發展水平。

3.1 步進電動機在數控機床中的應用

步進電動機在數控機床中的應用最為廣泛，因為步進電動機不需要A/D轉換就能夠直接將數字脈沖信號轉換為角位移或者直線位移，進而經過適當傳動機構轉化為數控機床執行機構的進給運動、調整運動等運動，所以說步進電動機是數控機床最理想的驅動元件。早期的步進電動機的輸出轉矩比較小，無法滿足數控機床對轉矩的要求，隨著技術的發展，現在已經能夠實現步進電動機在數控機床上單獨作為執行元件，比如有些大轉矩步進電動機不需要經過傳動系統的轉矩放大就可以直接和主軸相連。

3.2 步進電動機在工業機械手中的應用

工業機械手是一種模仿人手動作，并按照設定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運工件或者借助操持工具進行工作的機電一體化自動裝置。大多數現代化工廠里都會有很多機械手，因為機械手不僅讓人從繁重、枯燥的事務中解放出來，而且它能干很多工人不能做的工作，比如搬運汽車生產線上沉重的工件，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能，因此工業機械手是建設現代化工廠和無人化工廠所不可或缺的。工業機械手的控制方式有液壓式、氣壓式和電機式等。液壓式和氣壓式機械手結構簡單、易于控制，但是系統定位需要限位開關來實現，控制精度、可靠性和靈活性均不如電機式機械手，不利于生產的自動化。步進電動機可以精確控制機械手各個環節的轉向的角度和方向，借助其他夾持裝置可以完成油漆噴涂、工件抓取和產品裝配等多種工作。

3.3 步進電動機在提升裝置中的應用

步進電動機可以將脈沖信號轉變為角位移或者直線位移，而且在不超載時，它的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和個數，并不受負載變化的影響，這一特性使其被廣泛應用在要求速度、位置準確控制的提升裝置中，比如礦井的提升裝置、垂直式電梯和轉塔式吊機等。

4 步進電動機在我國的發展概況

我國步進電動機的研究及制造起始于1958年，當時只有清華大學、華中理工大學等少數高等院校為研究一些裝置而開發的少量產品，盡管晚于西方發達國家長達數十年之久，但經過近60年的大發展，我國已經開發了門類眾多、性能優良的步進電動機，有些甚至處于世界領先水平。但總體看來，我國的步進電動機在全球的競爭中總體上處于相對弱勢地位。我國步進電動機行業的發展極不平衡，兩極分化現象較為嚴重，只有極少數處于高端地位，絕大多數處于低端領域，這些處于低端領域的步進電動機制造企業并非專門從事步進電動機研發、制造業務，它們只是在開展其他電機業務的同時順帶開展步進電動機業務，而且其產品多為應用于家電、辦公設備等領域的中低端步進電動機。當前，我國正處在產業轉型升級的過程中，政府提出了“工業4.0”和“物聯網+”的大產業布局，作為機電一體化的重要產品，步進電動機的地位將會越來越重要，其市場前景無限光明，因此，我們應該充分利用這個寶貴機會加大發展這一行業的力度，努力追趕和超越發達多家。

參考文獻

[1] 王宗培. 步進電動機的發展及建議. 重慶三峽學院學報. 2010

[2] 謝輝，唐勇. 步進電機發展回顧與前景展望. 從重慶三峽學院報. 2010

[3] 《2015-2020年中國無刷直流電機制造行業市場前景與投資戰略規劃分析報告》. 產業信息網