步进电机技术工艺发展趋势分析(可行性市场分析)

第一节 产品技术发展现状

工业用微型直流电机，国外可以做到2000小时以上，我国平均是1000小时，主要问题是电机结构工艺的不合理性以及电刷材料和工艺等。国外无刷直流电机的效率可做到百分之80以上，我国一般生产厂家只能达到百分之60-70左右。步进电动机国外早已发展高性能的混合式结构，我国混合式步进电机90年代才开始发展，混合式电机的使用量近年也在不断增长。由于长期使用磁阻式电机，使得两种机型并存，造成与国外的差距加大。在高性能、高技术含量电动机方面，如无刷直流电动机、交流伺服电动机、直线电机等差距更大一些。这主要是由于我国电子技术落后，投入不足和人才短缺。以下简介近几年步进电机的主要技术：

1、PLC脉冲控制步进电机技术

1）步进电机、脉冲与方向信号

步进电机作为一种常用的电气执行元件, 广泛应用于自动化控制领域。步进电机的运转需要配备一个专门的驱动电源, 驱动电源的输出受外部的脉冲信号和方向信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度, 这个角度称为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度, 脉冲的频率决定了旋转的速度。方向信号决定了旋转的方向。就一个传动速比确定的具体设备而言, 无需距离、速度信号反馈环, 只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度; 而方向信号可控制移动的方向。因此, 对于那些控制精度要求不是很高的应用场合, 用开环方式控制是一种较为简单而又经济的电气控制技术方案。

另外, 步进电机的细分运转方式非常实用, 尽管其步距角受到机械制造的限制, 不能制作得很小, 但可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来的每个整步分成m 个小步来完成, 以提高设备运行的精度和平稳性。

控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数控系统, 但对于一些在运行过程中移动距离和速度均确定的具体设备, 采用PLC (可编程控制器) 是一种理想的技术方案。

2）控制方案

在操作面板上设定移动距离、速度和方向, 通过PLC 的运算产生脉冲、方向信号, 控制步进电机的驱动电源, 达到对距离、速度、方向控制的目的, 见下图。操作面板上的位置旋钮控制移动的距离, 速度旋钮控制移动的速度, 方向按钮控制移动的方向, 启ö停按钮控制电机的启动与停止。

PLC脉冲控制步进电机系统示意图

在实际系统中, 位置与速度往往需要分成几挡,故位置、速度旋钮可选用波段开关, 通过对波段开关的不同跳线进行编码, 可减少操作面板与PLC 的连线数量, 同时也减少了PLC 的输入点数, 节省了成本。一个n 刀波段开关的最多挡位可达到2n。

在对PLC 选型前, 应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量。

脉冲当量= （步进电机步距角×螺距）/ （360×传动速比）

脉冲频率上限= （移动速度×步进电机细分数）/ （脉冲当量）

最大脉冲数量= （移动距离×步进电机细分数）/ （脉冲当量）

根据脉冲频率可以确定PLC 高速脉冲输出时需要的频率, 根据脉冲数量可以确定PLC 的位宽。同时, 考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿命, PLC 应选择晶体管输出型。

步进电机细分数的选择以避开电机的共振频率为原则, 一般可选择2、5、10、25 细分。编制PLC 控制程序时应将传动系统的脉冲当量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量,以便现场调整。

2、步进电机驱动技术

步进电机驱动电源同步进电机本身是一个整体，其性能好坏直接影响步进电机系统性能的优劣。现主要从以下两个方面对其发展及国内研制概况进行说明：

1）电源功放级使用元件情况

驱动电源性能的好坏及可靠性，在很大程度上与末级功放所用的功率元件直接相关。最初使用的末级功放元件是可控硅。可控硅是一种脉冲触发的开关器件，它突出的优点是输入功率小、输出功率大、耐压高、成本较低。

在七十年代由于国内大功率高低压晶体管较少，所以用可控硅为功率器件的驱动器曾一度占据主流。但是，可控硅虽然触发简单，但关断困难，总的来看线路复杂，容易形成误触发、可靠性差、不便于调试和维护、抗干扰能力不好，近年来随着大功率晶体管的发展一般不再采用。

晶体管具有控制方便、调试容易、开关速度快以及元件损耗小等优点，并且由于采用先进的设计，晶体管的开关特性和耐压过流能力有了相当大的改进，因而近几年国内外绝大多数的驱动电源使用晶体三极管作为末级功放元件。

近年来，由于V形槽金属氧化物半导体场效应晶体管(VMOSFET)综合了大功率双极晶体管和场效应晶体管的优点，具有大功率、高耐压、高增益的特点，且没有少数载流子存储时间和温度失控，并有显著的抑制二次击穿特性，因而使用它可大大提高驱动电源的可靠性。随着成本的降低及使用经验的积累，越来越多的驱动电源将会使用MOSFET作为末级功放元件。

2）驱动电源电路结构的发展

不同形式的功率放大电路对电机性能的影响各不相同，这种不同形式的功率放大电路的差别主要是功率放大电路中不同的输出级结构。

单电压的驱动电路在二十世纪六十年代初期国外就已大量使用，它的主要特点是线路结构简单、成本低，在绕组回路中串接电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。缺点是：串接电阻的做法将产生大量的热，功耗较大，对驱动电源的正常工作极其不利，尤其在高频工作时更加严重。因而它一般用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合阿。

高低压驱动电路在六十年代末出现，是随着对步进电机要求大功率驱动和高频工作而出现的。这种电路主要是加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。这种电路的特点是电流波形得到了很大改善，电机的转矩特性很好，启动和运行频率得到很大的提高。由于绕组回路中的串接若干个较小的电阻，所以电源功耗较小。但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响，易使电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降闱。

为了弥补高低压驱动电路的高、低压电流波形在连接处为凹形的缺陷，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿波形波动，电流绕组的有效电流相应的增加，故电机的输出转矩增大，能基本上保持恒定，而且不需外接电阻，取样电阻又很小，因此，整个系统的功耗非常小，电源效率较高，因而恒流斩波电路应用相当广泛。

细分驱动电路在七十年代中期由美国学者首次提出，它是建立在步进电机的各相绕组理想对称和距角特性严格正旋的基础上的。它通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。实际上，加工误差致使细分后的步距角精度并不高。但是，细分驱动能极大地改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。近几年来，由于微处理机技术的发展，细分电路获得了广泛应用。

3、直线步进电机技术

步进电机是由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动，直线步进电机在电机内部把旋转运动转化为线性运动。直线步进电机，或称线性步进电机，首先出现在美国1968年的第3，402，308号专利上，是颁发给William Henschke的，从此以后，直线步进电机被广泛应用于包括制造、精密校准、精密流体测量、精确位置移动等诸多高精度要求领域。

直线步进电机的基本原理是采用一根螺杆和螺母相啮合，采取某种方法防止螺杆螺母相对转动，从而使螺杆轴向移动。一般而言，目前有两种实现这种转化的方式，第一种是在电机内置一个带内螺纹的转子，以转子的内螺纹和螺杆相啮合而实现线性运动，第二种是以螺杆作为电机出轴，在电机外部通过一个外部驱动螺母和螺杆相啮合从而实现直线运动。这样做的结果是大大简化了设计，使得在许多应用领域中能够在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线步进电机进行精密的线性运动。

由与螺杆相比，驱动螺杆的螺母显得更为重要，直线步进电机采用的是青铜注塑内螺纹转子，这种综合考虑了物理稳定性和润滑性能的专利产品，在具有低摩擦系数的同时又有相当优异的热膨胀性能。两方面的优异性能，保证了直线步进电机的高寿命。

第二节 产品工艺特点或流程

1、步进电机的一些基本参数： 

1）电机固有步距角 

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 

2）步进电机的相数 

是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 

3）保持转矩 

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 

4）DETENT TORQUE 

是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。 

2、步进电机的一些工艺特点： 

1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 

2）步进电机外表允许的最高温度。 

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 

3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 

4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

在微型计算机出现以前，步进电机的控制完全由硬件实现。比如环形分配器，就是由多个标准数字集成电路按照逻辑真值表组合而成，不同类型的电机、不同的工作方式就需要有不同的环形分配器，如果更换了电机类型或改变工作模式，则整个硬件电路需要重新设计。随着以MCS—51系列为代表的单片机的迅速普及，基于软件为核心的通用环形分配器获得了广泛的应用同，此类环形分配器仅需要更换不同的软件即可适应各种电机，而无需变更硬件，具有极大的灵活性。此外，在步进电机的速度控制中，我们寻求的最佳升降速曲线是根据步进电机的动力学特性及矩频特性得到的，在数学上这种曲线是比较复杂的，人们很难找到一种硬件电路来模拟它，只能在一定频段内做一种大的近似来拟合。现在。我们可以通过软件编程来精确的模拟升降速曲线，并且结合当前微型计算机的强大计算功能可实现步进电机的最优化控制。

随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用，未来的发展趋势如下：

1、是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。

2、是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30％～40％。

3、对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。

4、向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。

第二部分 步进电机国内市场综述

第一节 步进电机市场现状 分析 及预测

步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入，步进电机的需要量越来越大。有资料说明，世界上步进电机的年产量以10%以上的速度增长。国内对步进电机的需求同样也与日俱增。实际工作中，很多工程技术人员和技术工人都希望比较全面地了解步进电机及其控制技术。

我国步进电机生产企业主要集中在华东地区，占到全国85%以上的市场份额，华东地区又以江苏、浙江市场份额最大，江苏、浙江企业市场份额均超过30%。目前，生产厂家不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这种企业分布集中，企业规模普遍偏小的发展形势不利于整个 行业 的发展， 行业 内企业应该加强合作，共同努力提高生产技术水平，提高整个 行业 的发展水平。

第二节 步进电机产品产量 分析 及预测

2005-2011年步进电机产量表

单位：万台