步进电机（见图2-32）是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制驱动器件，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，步进电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和数量，不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号后，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”）[133]。步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的[134]。人们可以通过控制脉冲个数来控制步进电机的角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。通过改变绕组通电的顺序，步进电机就会反转[135]。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
步进电机是一种感应电机，步进电机的结构如图2-33所示。步进电机的工作原理是利用电子电路将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，再用这种电流为自己供电，这样步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的多相时序控制器[136]。
图2-32 步进电机与驱动器
图2-33 步进电机结构图
1.步进电机的主要分类
步进电机在构造上有三种主要类型，分别为反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet，PM）和混合式（Hybrid Stepping，HS）[137]。
（1）反应式步进电机。该类型步进电机定子上有绕组，转子由软磁材料组成。这种电机结构简单，成本低廉，步距角小，可达1.2°，但是动态性能较差，效率低，发热大，可靠性难以保证。
（2）永磁式步进电机。该类型步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。这种电机动态性能好，输出力矩大，但精度差，步距角大（一般为7.5°或15°）。
（3）混合式步进电机。该类型步进电机综合了反应式和永磁式步进电机的优点，定子上有多相绕组，转子采用永磁材料制成，转子和定子上均设有多个小齿以提高步距精度。这种电机输出力矩大，动态性能好，步距角小，但是是结构比较复杂，生产成本也相对较高。
虽然步进电机已被广泛应用，但是它不能像普通的直流电机、交流电机那样可在常规下使用，它必须在由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成的控制系统控制下使用。因此利用步进电机加工制作也非易事，涉及机械、电机、电子及计算机等许多专业知识[138]。
步进电机作为执行元件，是机电一体化系统中的关键器件之一，广泛应用在各种自动化控制系统中[139]。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在国民经济各个领域中都有大量应用。
2.步进电机的控制技术
作为一种控制用的特种电机，步进电机无法直接连接到直流或交流电源上工作，必须使用专门的驱动电源和步进电机驱动器[140]。
由于步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置，具有很好的数据控制特性，因此，计算机成为步进电机的理想驱动源。随着微电子和计算机技术的发展，软/硬件结合的步进电机控制方式成为主流，即通过程序产生控制脉冲，驱动硬件电路。单片机通过软件控制步进电机，更好地挖掘出了步进电机的潜力。因此，用单片机控制步进电机已经成为一种必然趋势。
3.步进电机的选择
步进电机的步距角（涉及相数）、静转矩和电流是其三大要素。一旦三大要素确定了，步进电机的型号便确定下来了。
1）步距角的选择
步进电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机轴应走多少角度（包括减速）[141]。电机的步距角应等于或小于此角度[142]。
2）静力矩的选择。
步进电机的动态力矩很难轻易确定，人们往往先确定其静力矩。静力矩选择的依据是步进电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时（一般由低速）这两种负载均要考虑，加速启动时主要考虑惯性负载，恒速运行时只需考虑摩擦负载[143]。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2～3倍，静力矩一旦选定，步进电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。
静力矩是选择步进电机的主要参数之一。一般情况下，负载大时，需要采用大力矩电机。当然，力矩指标大时，电机的外形也大。
3）电流的选择。
静力矩相同的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可以依据矩频特性曲线图来判断电机的电流。
当转速要求高时，应选择相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入，并且在选择驱动器时采用较高的供电电压。
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。
4.步进电机的特点与特性
1）主要特点：
（1）一般步进电机的精度为步距角的3%～5%，且不累积。
（2）步进电机温度过高时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130℃以上，有的甚至高达200℃以上，所以步进电机外表温度在80～90℃时完全正常[144]。
（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[145]。在电动势的作用下，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[146]。
（4）步进电机在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，电机就不能正常启动，可能发生失步或堵转[147]。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（电机转速从低速升到高速）。
步进电机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的作用。伴随着不同的数字化技术的发展和步进电机本身技术的提高，步进电机将会在国民经济建设更多的领域中得到应用[148]。(www.zuozong.com)
2）主要特性
（1）步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号[149]。没有脉冲时，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度转动。转动的速度与脉冲的频率成正比。
（2）步进电机的步距角为7.5°，一圈360°，需要48个脉冲完成。
（3）步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
（4）改变脉冲的顺序，可以十分方便地改变转动的方向。
因此，打印机、绘图仪、机器人等设备都以步进电机为动力核心。
5.步进电机的控制策略
1）比例、微分、积分（PID）控制。
PID控制作为一种简单而实用的控制方法在步进电机驱动中获得了广泛的应用。它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，然后对被控对象进行控制[150]。文献[151]将集成位置传感器用于二相混合式步进电机中，以位置检测器和矢量控制为基础，设计出了一个可自动调节的PI速度控制器。此控制器在变工况条件下能提供令人满意的瞬态特性。文献[152]根据步进电机的数学模型，设计了步进电机的PID控制系统，采用PID控制算法得到控制量，从而控制电机向指定位置运动。最后，通过仿真验证了该控制具有较好的动态响应特性。采用PID控制器具有结构简单、稳健性强、可靠性高等优点，但是它无法有效应对系统中的不确定信息。
目前，PID控制多与其他控制策略结合，形成带有智能的新型复合控制。这种智能复合控制具有自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数，自动整定控制参数，适应被控过程参数的变化，同时又具有常规PID控制器的特点。
2）自适应控制。
自适应控制是20世纪50年代发展起来的一种自动控制技术。随着控制对象的复杂化，控制对象可能会出现动态特性不可知或发生变化不可预测等情况，为了解决这些问题，需要研究高性能的控制器，自适应控制就应运而生了。其主要优点是容易实现和自适应速度快，能有效地克服电机模型参数缓慢变化所引起的影响。文献[153]根据步进电机的线性或近似线性模型推导出了全局稳定的自适应控制算法，但是这些控制算法都严重依赖于电机模型参数。文献[154]将闭环反馈控制与自适应控制结合起来检测转子的位置和速度，通过反馈和自适应处理，按照优化的升降运行曲线，自动地发出驱动脉冲串，提高了电机的拖动力矩特性，同时使电机获得更精确的位置控制和较高和较平稳的转速。
目前，很多学者将自适应控制与其他控制方法相结合，以解决单纯自适应控制的缺点。文献[155]设计的稳健自适应低速伺服控制器，确保了转动脉矩的最大化补偿及伺服系统低速高精度的跟踪控制性能。文献[156]研制的自适应模糊PID控制器可以根据输入误差和误差变化率的变化，通过模糊推理在线调整PID参数，实现对步进电机的自适应控制，从而有效地提高了系统的响应时间、计算精度和抗干扰性。
3）矢量控制。
矢量控制是现代电机高性能控制的理论基础，可以改善电机的转矩控制性能。它通过磁场定向将定子电流分为励磁分量和转矩分量分别加以控制，从而获得良好的解耦特性。因此，矢量控制既需要控制定子电流的幅值，又需要控制电流的相位。由于步进电机不仅存在主电磁转矩，还有由于双凸结构产生的磁阻转矩，且内部磁场结构复杂，非线性状况比一般电机要严重得多，所以它的矢量控制也较为复杂。文献[157]推导出了二相混合式步进电机d-q轴数学模型，以转子永磁磁链为定向坐标系，令直轴电流id=0，电动机电磁转矩与iq成正比，用PC实现了矢量控制系统。系统中使用传感器检测电机的绕组电流和转子位置，用PWM方式控制电机的绕组电流。文献[158]推导出基于磁网络的二相混合式步进电机模型，给出了其矢量控制位置伺服系统的结构，采用神经网络模型参考自适应控制策略对系统中的不确定因素进行实时补偿，通过最大转矩/电流矢量控制实现了电机的高效控制。
4）智能控制。
智能控制不依赖或不完全依赖控制对象的数学模型，只按实际效果进行控制，在控制中有能力考虑系统的不确定性和精确性，突破了传统控制必须基于数学模型展开的桎梏。目前，智能控制在步进电机系统中应用较为成熟的是模糊控制和神经网络控制。
（1）模糊控制。模糊控制就是在被控制对象模糊模型基础上，运用模糊控制器近似推理等手段实现系统控制。作为一种直接模拟人类思维结果的控制方式，模糊控制已经广泛应用于工业控制领域。与常规控制方式相比，模糊控制无须精确的数学模型，具有较强的稳健性和自适应性，因此适用于非线性、时变、时滞系统的控制。文献[159]给出了模糊控制在二相混合式步进电机速度控制中的应用实例。时滞系统为超前角控制，设计时无须数学模型，响应时间短。
（2）神经网络控制。神经网络是利用大量的神经元按一定的拓扑结构和学习调整方法进行工作的。它可以充分逼近任意复杂的非线性系统，能够学习和自适应未知或不确定的系统，具有很强的鲁棒性和容错性，因而在步进电机系统中得到了广泛的应用。文献[160]将神经网络用于实现步进电机最佳细分电流，在学习中使用Bayes正则化算法，使用权值调整技术避免多层前向神经网络陷入局部极小点，有效解决了等步距角细分的问题。
6.步进电机的优缺点
1）优点
（1）步进电机旋转的角度正比于脉冲数；
（2）步进电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；
（3）由于每步的精度为3%～5%，而且不会将上一步的误差累积到下一步，因而具有较好的位置精度和运动的重复性[161]；
（4）优秀的启、停和反转响应；
（5）由于没有电刷，可靠性较高，步进电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；
（6）步进电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构比较简单、成本低廉；
（7）仅仅将负载直接连接到步进电机的转轴上也可以实现极低速同步旋转；
（8）由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。
2）缺点
（1）如果控制不当容易产生共振；
（2）难以获得较高的转速；
（3）难以获得较大的转矩；
（4）在体积和重量方面没有优势，能源利用率低；
（5）超过负载时会破坏同步性，高速工作时会产生振动和噪声。
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