步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。

　　步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。

　　雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。

　　步進電機從其結構形式上可分為反應式步進電機（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進電機Permanent Magnet，PM）、混合式步進電機（Hybrid Stepping，HS）、單相步進電機、平面步進電機等多種類型，在我國所采用的步進電機中以反應式步進電機為主。步進電機的運行性能與控制方式有密切的關系，步進電機控制系統從其控制方式來看，可以分為以下三類：開環控制系統、閉環控制系統、半閉環控制系統。半閉環控制系統在實際應用中一般歸類于開環或閉環系統中。［1］

　　反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動態性能差、效率低、發熱大，可靠性難保證。

　　永磁式：永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。

　　混合式：混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。

　　按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅動器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。

　　步進電機的技術參數

　　1、步進電機的基本參數

　　（1） 空載啟動頻率：

　　即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。

　　（2） 電機固有步距角：

　　它表示控制系統每發一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為‘電機 固有步距角’， 它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。

　　（3） 步進電機的相數：

　　是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的 為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則‘相數’將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。

　　（4） 保持轉矩（HOLDING TORQUE）：是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力 矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。

　　2、步進電機動態指標及術語：

　　（1） 步距角精度： 步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同， 四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。

　　（2） 失步： 電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。

　　（3） 失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。

　　（4） 最大空載起動頻率： 電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。

　　（5） 最大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。

　　（6） 運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩特性，這是電機諸多動態曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。如下 圖1所示：

　　（7） 電機的共振點：

　　步進電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式步進電機的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。

　　其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定而動態力矩卻不然，電機的動態力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態流）平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如下圖2所示：

　　其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。

　　步進電機的控制與應用

　　步進電機的開環控制

　　1、步進電機的硬件控制

　　（1）脈沖分配器

　　當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環產生脈沖。

　　當方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按A-C-B的順序循環產生脈沖。

　　（2）加、減速控制：

　　（3）功率放大器

　　將脈沖分配器的輸出信號進行電流放大后給電動機的定子繞組供電，使電動機的轉子產生輸出轉矩。

　　2.步進電機的微機控制：

　　目前，伺服系統的數字控制大都是采用硬件與軟件相結合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機實現的。這是因為基于微機實現的數字伺服控制器與模擬伺服控制器相比，具有下列優點：

　　（1）能明顯地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微處理機不斷涌現，硬件費用會變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優點。

　　（2）可顯著改善控制的可靠性。集成電路和大規模集成電路的平均無故障時（MTBF）大大長于分立元件電子電路。

　　（3）數字電路溫度漂移小，也不存在參數的影響，穩定性好。

　　（4）硬件電路易標準化。在電路集成過程中采用了一些屏蔽措施，可以避免電力電子電路中過大的瞬態電流、電壓引起的電磁干擾問題，因此可靠性比較高。

　　（5）采用微處理機的數字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強，容易和上位系統機聯運，可隨時改變控制參數。

　　（6）可以設計適合于眾多電力電子系統的統一硬件電路，其中軟件可以模塊化設計，拼裝構成適用于各種應用對象的控制算法；以滿足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減，或者當實際系統變化時徹底更新。

　　（7）提高了信息存貯、監控、診斷以及分級控制的能力，使伺服系統更趨于智能化。

　　（8）隨著微機芯片運算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優異但算法復雜的控制策略有了實現的基礎。

　　步進電機的閉環控制