隨著控制電機重要性的增加，控制電機的使用量也逐年增加。步進電機是一種控制電機，不使用反饋回路，就能進行速度控制及定位控制，即所謂的電機開環(huán)控制。

其應(yīng)用主要以處理辦公業(yè)務(wù)能力很強的OA機器和FA機器為核心，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、計量儀器、汽車、游戲機等。就數(shù)量來講，0A機器方面的應(yīng)用約占步進電機使用總數(shù)的75%。 

一、步進電機原理

步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移動一小段距離。

二、分類

電機有各種分類方式，如用電壓種類分類時，有AC驅(qū)動與DC驅(qū)動；用旋轉(zhuǎn)速度與電源頻率關(guān)系分類時，則有同步電機和異步電機。

如下圖是步進電機在小型電機系列中的位置關(guān)系。

由上圖可知，步進電機屬于DC驅(qū)動的同步電機，但無法直接用DC或AC電源來驅(qū)動，需要配備驅(qū)動器才能使用。所以步進電機的運行需要驅(qū)動電路。此點與無刷DC電機相同，無刷DC電機要使用驅(qū)動電路，驅(qū)動電路將電機定子與DC電源連接在一起工作。

三、步進電機特性

步進電機的基本特性包括電機靜態(tài)特性、連續(xù)運動特性（動態(tài)特性）、電機啟動特性和電機制動特性（暫態(tài)特性）。下面分別作介紹：

1、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

步進電機的線圈通直流電時，帶負載轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩（與負載轉(zhuǎn)矩平衡而產(chǎn)生的恢復(fù)電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩或靜止轉(zhuǎn)矩）與轉(zhuǎn)子功率角的關(guān)系稱為角度-靜止轉(zhuǎn)矩特性，這就是電機的靜態(tài)特性。如下圖所示：

因為轉(zhuǎn)子為永磁體，產(chǎn)生的氣隙磁密為正弦分布，所以理論上靜止轉(zhuǎn)矩曲線為正弦波。此角度-靜止轉(zhuǎn)矩特性為步進電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩能力的重要指標，最大轉(zhuǎn)矩越大越好，轉(zhuǎn)矩波形越接近正弦越好。實際上磁極下存在齒槽轉(zhuǎn)矩，使合成轉(zhuǎn)矩發(fā)生畸變，如兩相電機的齒槽轉(zhuǎn)矩為靜止轉(zhuǎn)矩角度周期的4倍諧波，加在正弦的靜止轉(zhuǎn)矩上，則上圖所示的轉(zhuǎn)矩為：

TL=TMsin[(θL/θM)π/2]

其中TL與TM各表示負載轉(zhuǎn)矩和最大靜止轉(zhuǎn)矩（或稱把持轉(zhuǎn)矩），相對應(yīng)的功率角為θL和θM，此位移角的變化決定了步進電機位置精度。根據(jù)上式得到：

θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)

PM型永磁步進電機和HB混合式步進電機的步距角θs在前面的課程中講過即：θs=180°/PNr，角度改為機械角度（弧度），則變成下式：

θs=π/(2Nr)

上式Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)或極對數(shù)，所以兩相電機θM=θs。

2、動態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

動態(tài)轉(zhuǎn)矩特性包括驅(qū)動脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性和驅(qū)動脈沖頻率-慣量特性。

1）脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性

脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性是選用步進電機的重要特性。如下圖所示，縱軸為動態(tài)轉(zhuǎn)矩（dynamictorque），橫軸取響應(yīng)脈沖頻率，響應(yīng)脈沖頻率用pps作為單位，即每秒的脈沖數(shù)表示。

如圖所示，步進電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生包括失步轉(zhuǎn)矩（pull-out-torque）和牽入轉(zhuǎn)矩（pull-in-torque）兩個轉(zhuǎn)矩。前者稱為失步或丟失轉(zhuǎn)矩，后者稱為起動或牽入轉(zhuǎn)矩。牽入轉(zhuǎn)矩范圍為從零到最大自起動脈沖頻率或最大自起動頻率區(qū)域。牽入曲線包圍的區(qū)域稱為自起動區(qū)域。電機同步進行正反轉(zhuǎn)起動運行，在牽入與失步區(qū)域之間為運轉(zhuǎn)區(qū)，電機在此區(qū)域內(nèi)可帶相應(yīng)負載同步連續(xù)運行，超出范圍的負載轉(zhuǎn)矩將不能連續(xù)運行，出現(xiàn)失步現(xiàn)象。步進電機為開環(huán)驅(qū)動控制，其負載轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩之間要有裕度，其值應(yīng)為50%~80%。

2）脈沖頻率-慣量特性

步進電機在帶慣性負載快速起動時，須有足夠的起動加速度。因此如負載的慣量增加，則起動脈沖頻率就下降，為此，在選擇步進電機時對兩者要進行綜合考慮。

下圖縱軸為最大自起動頻率，橫軸為負載慣量，曲線表示負載慣量與最大自起動脈沖頻率之間的關(guān)系。此處以PM型爪極步進電機（兩相，步距角7.5°）為例。負載PL下，最大自起動脈沖頻率PL與負載慣量Jc的關(guān)系如下：

式中，JR步進電機轉(zhuǎn)子慣量，Ps為空載的最大自起動頻率。

3、暫態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

由于步進電機轉(zhuǎn)子慣量作用，即使空載運行一步，也會產(chǎn)生超越角(over-shoot），并在超越角與返回角（under-shoot）之間來回振蕩，經(jīng)過哀減后靜止于所定角度，此為步進電機暫態(tài)響應(yīng)特性。

下圖表示步進電機的暫態(tài)特性，縱軸取轉(zhuǎn)子移動角度，橫軸為時間?！鱐為上升時間，△θ表示超越角，轉(zhuǎn)子自由靜止到設(shè)定位置的時間（通常到達步距角的士5%誤差范圍的時間）稱為穩(wěn)定時間（settingtime）

穩(wěn)定時間越短，快速性越好，為了加快機構(gòu)的運行速度，使穩(wěn)定時間變短，步進電機的阻尼（制動）變得很重要。使穩(wěn)定時間變短的方法有改變摩擦或改變慣量驅(qū)動等，在后面會詳細介紹。

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