步進電機又稱為脈沖電機，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉的電磁鐵，其動作原理是依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩。其原始模型是起源于年至年間。年前后開始以控制為目的的嘗試，應用于氫弧燈的電極輸送機構中。這被認為是最初的步進電機。二十世紀初，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電機。由于西方資本主義列強爭奪殖民地，步進電機在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統中得到了廣泛的使用。二十世紀五十年代后期晶體管的發明也逐漸應用在步進電機上，對于數字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態出現，步進電機的控制方式更加靈活多樣。

　　步進電機相對于其它控制用途電機的最大區別是，它接收數字控制信號電脈沖信號并轉化成與之相對應的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數字模式轉化的執行元件。而且它可開環位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統與傳統的直流控制系統相比，其成本明顯減低，幾乎不必進行系統調整。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數嚴格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉角、速度和方向。

　　我國的步進電機在二十世紀七十年代初開始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發展階段，新品種和高性能電機不斷開發，目前，隨著科學技術的發展，特別是永磁材料、半導體技術、計算機技術的發展，使步進電機在眾多領域得到了廣泛應用。

　　步進電機控制技術及發展概況

　　作為一種控制用的特種電機，步進電機無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅動電源步進電機驅動器。在微電子技術，特別計算機技術發展以前，控制器脈沖信號發生器完全由硬件實現，控制系統采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路。這就使得需要針對不同的電機開發不同的驅動器，開發難度和開發成本都很高，控制難度較大，限制了步進電機的推廣。

　　由于步進電機是一個把電脈沖轉換成離散的機械運動的裝置，具有很好的數據控制特性，因此，計算機成為步進電機的理想驅動源，隨著微電子和計算機技術的發展，軟硬件結合的控制方式成為了主流，即通過程序產生控制脈沖，驅動硬件電路。單片機通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出了電機的潛力。因此，用單片機控制步進電機已經成為了一種必然的趨勢，也符合數字化的時代趨。

　　步進電機控制系統的設計

　　傳統的電流式控制方法是檢測流經繞組的電流，并將反饋信號送到控制芯片，然后由控制芯片決定是增加還是降低繞組電流，以取得所需的電流強度。這種控制方法使電機在寬轉速和寬電源電壓范圍內保持理想的轉矩，非常適用于全步進和半步進電機驅動，而且實現起來非常容易。

　　閉環控制電路將電流施加到繞組。反電動勢（BEMF）會降低繞組電壓，延長電流達到理想值的時間，因此，反電動勢限制電機轉速。雖然系統無需知道反電動勢值，但是，不重視且不修正這個數值將會導致系統性能降低。

　　因為電源電壓變化導致峰值電流有時波動幅度很大，所以，直到現在，工程師還是盡量避免使用電壓式控制方法。工程師們還想避免反電動勢隨著電機轉速增加而升高的問題。

　　在這種情況下，業內出現了能夠補償反電動勢的智能電壓式控制系統。這種驅動方法使電機運轉更順暢，微步分辨率更高，是對高精度定位和低機械噪聲要求嚴格的應用的理想選擇。電壓式控制是一種開環控制：當正弦電壓施加到電機相位時，機電系統將回饋正弦電流。

　　我們可以用數字方法補償反電動勢和峰流變化。在記住電機的準確特性（電機電感-轉速曲線、反電動勢-轉速曲線、電機電阻）后，計算并施加電壓，以取得理想的電流值。

　　電壓式控制方法是向電機施加電壓，而不是恒流。施加的電壓值能夠補償并完全消除反電動勢效應，施加電壓的上升速率與因電機轉速增加而導致反電動勢上升的速率相同，保證電流幅度對轉速曲線平坦。在已知所需電流后，就可以確定取得該電流需要施加的準確電壓值。因此，電流是由電壓間接控制，如圖1所示。

　　電壓式控制還節省了分流電阻，可取得高微步分辨率和極低的轉矩脈動。事實上，意法半導體的L6470取得了多達128步的微步控制。

　　這款數字電機控制驅動器的核心是一個能夠降低微控制器資源占用率的數字運動引擎（DME）。

　　數字運動控制引擎是由行為命令控制，例如，絕對位置請求，并按照預設轉速曲線邊界驅動電機運動。全部指令集包括相對位置和絕對位置（達到目標位置）、轉速跟蹤（達到并保持目標轉速）和電機停止順序，還包括機械位置傳感器管理專用命令。圖2所示是前述部分命令。

　　該控制器通過具有菊花鏈功能的高速SPI總線接口與主微控制器通信。

　　通過一個串行接口，一個微控制器能夠管理多個控制器，從而控制多臺步進電機，如圖3所示。

　　步進電機的開環控制

　　系統設計時首先考慮穩態性能。由允許的最大位置誤差和要求的最高步進頻率選擇步進電機和驅動電路。完成了這種選擇之后，接下來應考慮怎樣對電機和驅動電路進行控制，怎樣把它們連接到系統的其他部分。開環控制具有簡單因而成本低等優點，常用于簡易的經濟型數控機床改造等技術中。圖1是典型的開環控制系統的方框圖。相控制信號可以由微處理機產生，也可以用某種形式的時序電路產生。不管這種信號怎樣產生，設計者都需要知道它在定時上有些什么限制。例如特定負載轉矩的最高步進頻率；又如電機加速負載慣量的時間等。

　　開環控制方案中，負載位置對控制電路沒有反饋，因此，步進電機必須正確地響應每次激磁變化。如果激磁變化太快，電機不能夠移動到新的要求的位置，那么，實際的負載位置相對控制器所期待的位置將出現永久誤差。如果負載參數基本上不隨時間變化，則相控制信號的定時比較簡單。但是，在負載可能變化的應用場合中，定時必須以最壞（即最大負載）情況進行設定。當然，這樣確定的控制方案對所有其他負載并非最佳。

　　1. 啟停頻率

　　最簡單的開環控制方式是步進頻率恒定的那種控制方式（圖2），電機在達到目標位置之前都以這個頻率轉動。相控制信號由時序發生器產生，時序發生器由來自恒頻時鐘的步進命令脈沖觸發。“啟動”信號接通這個時鐘，使電機以等于鐘頻的步進頻率運行；“停止”信號關斷這個時鐘，使電機停轉。轉動方向一開始就送到相時序發生器，因此，它產生的相控制信號能以合適的方向運轉電機。目標位置送入減法計數器，并以這個計數器記錄執行的步致。時鐘脈沖同時送給相時序發生器和減法計數器。于是，相激勵以恒定的鐘頻變化，減法計數器記錄電機相對目標的瞬時位置。

　　負載達到目標位置時，減法計數器的內容成為零。時鐘的“停止”信號利用這個零產生。如果恒定鐘統頻率太高，電機不能把負載慣量加速到對應的步進頻率；系統或者完全不能工作，或者在行程的開始階段失步。從靜止開始，電機能響應而不失步的最高步進頻率叫做“啟動頻率”。與此類似，“停止頻率”是系統控制信號突然關斷，而電機不沖過目標位置的最高步進頻率。對任何電機-負載組合來講，啟動頻率和停止頻率之間的差別都很小。粘性摩擦使加速度和步進頻率降低，但有助于減速，因此，提高了停止頻率。不過，在簡單的恒頻系統里，時鐘必須調整在兩者之中較低的那個頻率上，以此確保可靠的啟動和停止。

　　電機從靜止開始加速時，步進頻率很低；每相激磁周期比相電路的電氣時間常數長得多。在這種情況下，系統性能能夠用電機的靜轉短／轉子位置特性來分析。分析結果得知，（1）如果電機的轉矩（TM）增大或負載轉矩（TL）減小，則能提高啟動額率；（2）減少系統慣量（電機慣量+負載慣量）也能提高啟動頻率。

　　在系統工作壽命內．由于零部件磨損，將影響負載轉矩。為了允許負載轉矩略為變化，恒頻鐘應比求得的啟動頻率略低，且可調。為了確保系統在工作速度情況下對機械諧振不敏感，還應考慮失步轉矩／頻率特性。如果算得啟動頻率恰巧等于諧振頻率，那么，應改用較低頻率的時鐘，或者通過增加阻尼降低諧振影響。實際工作中，啟動頻率也常常通過試驗求得。

　　2．加速和減速工作

　　因為步進電機系統的啟動頻率比它的最高運行頻率低得多，因此，為了減少定位時間，常常通過加速使電機在接近最高的速度下運行。隨著目標位置的逼近，為使電機平穩地停下來，重新使步進頻率逐漸降低到啟停電機頻率。從初始位置往目標位置運動的整個過程中，步進頻率都在變。若以曲線表示即得“速度曲線”，如圖3所示。注意；減速可以比加速快得多，因為負載轉矩幫助系統

　　制動；而且，電機產生的減速轉矩比 （a）速度曲線；（b）對應的位置／時間響應曲線

　　加速轉矩大。

　　3．開環控制的實現

　　對任何系統，選擇控制方式都要考慮性能高和成本低等要求。例如，為了使加速方式最佳，也許要求按指數曲線上升，但是，實現的費用高。設計者也許會用比較簡單的線性斜坡來折衷，因為這種斜坡能以很低成本實現。另一方面，集成電路工藝的迅速發展，使我們能以低價制成的芯片得到各種各樣的電路功能，因此，估計以微處理機控制的潛在優點成為很現實的問題。在微機控制的系統中，常常可以把微處理機的富裕處理能力用來控制步進電機。這時，額外的存貯器成本和軟件開發成本的增加很可能低于獨立的硬件控制器的價格。

　　（1）以微處理機產生定時 微處理機很容易產生控制步進電機所要求的數字信號。開環控制中，即使負載很輕，步進電機也很少以大于10000步／秒的速度工作，因此，只要求微處理機每0.1毫秒發一次步進命令。而每次發送步進命令所需要的程序執行時間比0.1毫秒小很多，所以，微處理機完全有多余能力執行別的任務。使用中斷子程序控制電機能使處理能力得到充分利用。

　　固定的，步進命令之間的時間受從“TABLE”單元開始的查閱表里存儲數值的控制。程序以設寄存器“指針”等于“TABLE”開始，因此，“指針”里裝有查閱表中第一個值的地址。然后，把第一次步進命令發給激磁時序控制器，用它改變電機里的相激磁。

　　在發下一次步進命令之前必須進行延時，使電機有時間執行第一步。這時， 取出由指針尋址的延時數（第一次為查閱表里的第一個值）并把它存入“延遲”單元里。然后，檢查這個單元的內容是不是零。如果是零，表示已經走到了這個表的末尾；不是零則“指針”加一，指向表內的下一個數。最后，控制程序返回主程序。

　　主程序繼續執行直到發生下次時鐘中斷，它使處理機返回到電機控制子程序的“入口”。‘延遲”單元里的數減一并且與零比較。如果不為零，則控制立即返回主程序；如果“延遲”單元已達到零，則把下一步命令送到激磁時序控制器，并且往“延遲”單元裝入查閱表里的下一個位。因此，步進命令之間的時間與恒定的時鐘周期及查閱表中的數值成正比。例如：第一步命令發出之后，“延遲”單元裝入“30”，于是，“延遲”單元減到零之前將產生30次時鐘中斷。

　　查閱表中的數值是考慮以6步上升到最高步進頻率設置的，這個最高頻率是鐘頻的l／l0。減速從長延時數值（25）開始，這個時間對應轉子轉過平衡位置而進入產生減速所需要的負轉矩的位置。因為負載轉矩產生的是負轉矩，所以，使電機減速只需要4步。最后，系統逐漸靜止，距離初始位置共14步。這時，程序檢

　　測到“延遲”單元內容為零

　　并轉到“停止”。 考慮14步運動的”延遲”值取樣表

　　該例中，走過的距離是

　　固定的。不過，行程開始之前，程序可裝入不同的目標位置。通過擴展查閱表和修改有關程序，能使步數增加。如果目標離初始位置少于14步，這時，可以刪去查閱表里適當的位，使頻率降低，步數減少。

　　（2）以硬件定時 如果加速系統需要執行的步數比較少，那么，相激磁定時可以用數字集成電路產生。例如，在圖5 （a）小，精確的前三步定時由持

　　續時間可變的延時時序電路產生，用它把電機加速到由系統鐘頻確定的步進頻率。當接近目標位值時，利用后面的延時時序電路使電機減速。

　　系統最初靜止，啟動脈沖加到 “啟動”輸入端后，經過一系列邏輯“或”門作用到相序發生器上，相序發處器發生的激磁變化啟動電機加速。啟動脈沖同時觸發第一級延時電路，把這個脈沖延遲T1時間，在這期間，電機運動到第—次相轉換位置。經過T1延時后，第一級的脈沖輸出送到相序發生器并觸發下級延時電路。這種時序一直繼續到所有延時電路都工作完。最末一級延時的輸出用來啟動恒頻時鐘，以恒頻時鐘生以后的步進命令，定時波形如圖5（b）所示。

　　因為事先把目標位置送入了減法計數器。以后每執行一次，計數器就減一。因此，這個計數器記錄著到達目標位置之前需要發出的步進命令數。當還需要執行的步數等于減速延時電路數時，減法計數器產生一個脈沖， 關斷時鐘并觸發第一級減速電路延時T1，。到達目標位置之前的最后幾步的減速控制由三級持續時間可變的延時T1，、T2，、T3，產生，它們順序觸發，產生送到相序發生器的步進命令。減速以長激磁周期（T1，）開始，讓轉子轉過平衡位置和產生負轉矩。 如果系統的最大工作速度接近失步頻率，那末，也許需要20到50級

　　延時，這時成本很高。通常，硬件定時僅用在工作速度比正常的啟停頻率高得不太多的場合。在這些應用中，延時時間能夠用靜轉矩／轉子位置特性曲線成功地預測。