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即所謂的電機開環控制

其應用主要以處理辦公業務能力很強的OA機器和 FA機器為核心并廣泛應用于醫療器械計量儀器汽車游戲機等就數量來講0A機器方面的應用約占步進電機使用總數的75%

一步進電機原理

步進電機是利用電磁鐵原理將脈沖信號轉換成線位移或角位移的電機每來一個電脈沖電機轉動一個角度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驅動與DC驅 動用旋轉速度與電源頻率關系分類時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系

可知步進電機屬于DC驅動的同步電機但無法直接用DC或AC電源來驅動需要配備驅動器才能使用所以步進電機的運行需要驅動電路此點與無刷DC電機相同無刷DC電機要使用驅動電路驅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特性連續運動特性（動態特性）電機啟動特性和電機制動特性（暫態特性）下面分別作介紹

1靜態轉矩特性

步進電機的線圈通直流電時帶負載轉子的電磁轉矩（與負載轉矩平衡而產生的恢復電磁轉矩稱為靜態轉矩或靜止轉矩）與轉子功率角的關系稱為角度-靜止轉矩特性這就是電機的靜態特性如下圖所示

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

TL=TMsin[θL/θMπ/2]

其中TL與TM各表示負載轉矩和最大靜止轉矩（或稱把持轉矩）相對應的功率角為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為轉子齒數或極對數所以兩相電機θM=θs

2動態轉矩特性

動態轉矩特性包括驅動脈沖頻率-轉矩特性和驅動脈沖頻率-慣量特性

1）脈沖頻率-轉矩特性

脈沖頻率-轉矩特性是選用步進電機的重要特性如下圖所示縱軸為動態轉矩（dynamic torque）橫軸取響應脈沖頻率響應脈沖頻率用pps作為單位即每秒的脈沖數表示

51, 51, 51; text-indent: 2em;">所示步進電機的動態轉矩產生包括失步轉矩（pull-out-torque）和牽入轉矩（pull-in-torque）兩個轉矩前者稱為失步或丟失轉矩后者稱為起動或牽入轉矩牽入轉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域牽入曲線包圍的區域稱為自起動區域電機同步進行正反轉起動運行在牽入與失步區域之間為運轉區電機在此區域內可帶相應負載同步連續運行超出范圍的負載轉矩將不能連續運行出現失步現象步進電機為開環驅動控制其負載轉矩與電磁轉矩之間要有裕度其值應為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的關系如下

51, 51, 51; text-indent: 2em;">JR步進電機轉子慣量Ps為空載的最大自起動頻率

3暫態轉矩特性

由于步進電機轉子慣量作用即使空載運行一步也會產生超越角over-shoot）并在超越角與返回角（under-shoot）之間來回振蕩經過哀減后靜止于所定角度此為步進電機暫態響應特性

下圖表示步進電機的暫態特性縱軸取轉子移動角度橫軸為時間△T為上升時間△θ表示超越角轉子自由靜止到設定位置的時間（通常到達步距角的士5%誤差范圍的時間）稱為穩定時間（setting time）

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