步進電機是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，是現代數字程式控制系統中的主要執行元件，套用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
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套用，但步進電機並不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈衝信號、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，廣泛套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套用。
基本介紹
- 中文名：步進電機
- 外文名：stepping motor
- 拼音：[bù jìn diàn jī]
- 屬性：感應電機的一種
- 別稱：步進器
- 工作原理：按電磁學原理，將電能轉為機械能
介紹,主要分類,選擇方法,基本原理,工作原理,發熱原理,主要構造,指標術語,靜態指標術語,動態指標術語,特點特性,主要特點,主要特性,控制策略,測速方法,功能模組設計,優勢及缺陷,優點,缺陷,驅動方法,驅動要求,電機選擇,注意,
介紹
步進電機又稱為脈衝電機,基於最基本的電磁鐵原理,它是一種可以自由迴轉的電磁鐵,其動作原理是依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩。其原始模型是起源於年至年間。年前後開始以控制為目的的嘗試,套用於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。由於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。二十世紀五十年代後期電晶體的發明也逐漸套用在步進電機上,對於數位化的控制變得更為容易。到了八十年代後,由於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。
步進電機相對於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衝信號並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,輸入一個脈衝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衝個數嚴格成正比,而且在時間上與脈衝同步。因而只要控制脈衝的數量、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套用。
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,控制器脈衝信號發生器完全由硬體實現,控制系統採用單獨的元件或者積體電路組成控制迴路,不僅調試安裝複雜,要消耗大量元器件,而且一旦定型之後,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。
由於步進電機是一個把電脈衝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,軟硬體結合的控制方式成為了主流,即通過程式產生控制脈衝,驅動硬體電路。單片機通過軟體來控制步進電機,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,也符合數位化的時代趨。
主要分類
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,在我國所採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係,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套用中一般歸類於開環或閉環系統中。
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、轉子上採用永磁材料，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，但結構複雜、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，配上細分驅動器後效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動器後，步距角減少為0.9°，配上細分驅動器後其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由於摩擦力和製造精度等原因，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。
選擇方法
步進電機和驅動器的選擇方法：
判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步進電機的主要參數之一。負載大時，需採用大力矩電機。力矩指標大時，電機外形也大。
步進電機（圖3）
步進電機（圖3）判斷電機運轉速度：轉速要求高時，應選相電流較大、電感較小的電機，以增加功率輸入。且在選擇驅動器時採用較高供電電壓。
選擇電機的安裝規格：如57、86、110等，主要與力矩要求有關。
確定定位精度和振動方面的要求情況：判斷是否需細分，需多少細分。
基本原理
工作原理
發熱原理
通常見到的各類電機，內部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發熱的形式表現出來，從而影響電機的效率。步進電機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉速而變化，因而步進電機普遍存在發熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。
主要構造
步進電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉換為機械能，人們早在20世紀20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式系統(例如印表機、磁碟驅動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。不論在工業、軍事、醫療、汽車還是娛樂業中，只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。
步進電機（圖4）
步進電機（圖4）步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。
步進電機加減速過程控制技術
正因為步進電機的廣泛套用,對步進電機的控制的研究也越來越多,在啟動或加速時如果步進脈衝變化太快,轉子由於慣性而跟隨不上電信號的變化,產生堵轉或失步在停止或減速時由於同樣原因則可能產生超步。為防止堵轉、失步和超步,提高工作頻率,要對步進電機進行升降速控制。
步進電機的轉速取決於脈衝頻率、轉子齒數和拍數。其角速度與脈衝頻率成正比,而且在時間上與脈衝同步。因而在轉子齒數和運行拍數一定的情況下,只要控制脈衝頻率即可獲得所需速度。由於步進電機是藉助它的同步力矩而啟動的,為了不發生失步,啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加,轉子直徑增大,慣量增大,啟動頻率和最高運行頻率可能相差十倍之多。
步進電機的起動頻率特性使步進電機啟動時不能直接達到運行頻率,而要有一個啟動過程,即從一個低的轉速逐漸升速到運行轉速。停止時運行頻率不能立即降為零,而要有一個高速逐漸降速到零的過程。
步進電機的輸出力矩隨著脈衝頻率的上升而下降,啟動頻率越高,啟動力矩就越小,帶動負載的能力越差,啟動時會造成失步,而在停止時又會發生過沖。要使步進電機快速的達到所要求的速度又不失步或過沖,其關鍵在於使加速過程中,加速度所要求的力矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的力矩,又不能超過這個力矩。因此,步進電機的運行一般要經過加速、勻速、減速三個階段,要求加減速過程時間儘量的短,恆速時間儘量長。特別是在要求快速回響的工作中,從起點到終點運行的時間要求最短,這就必須要求加速、減速的過程最短,而恆速時的速度最高。
國內外的科技工作者對步進電機的速度控制技術進行了大量的研究,建立了多種加減速控制數學模型,如指數模型、線性模型等,並在此基礎上設計開發了多種控制電路,改善了步進電機的運動特性,推廣了步進電機的套用範圍指數加減速考慮了步進電機固有的矩頻特性,既能保證步進電機在運動中不失步,又充分發揮了電機的固有特性,縮短了升降速時間,但因電機負載的變化,很難實現而線性加減速僅考慮電機在負載能力範圍的角速度與脈衝成正比這一關係,不因電源電壓、負載環境的波動而變化的特性,這種升速方法的加速度是恆定的,其缺點是未充分考慮步進電機輸出力矩隨速度變化的特性,步進電機在高速時會發生失步。
步進電機的細分驅動控制
步進電機由於受到自身製造工藝的限制,如步距角的大小由轉子齒數和運行拍數決定,但轉子齒數和運行拍數是有限的,因此步進電機的步距角一般較大並且是固定的,步進的解析度低、缺乏靈活性、在低頻運行時振動,噪音比其他微電機都高,使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點使步進電機只能套用在一些要求較低的場合,對要求較高的場合,只能採取閉環控制,增加了系統的複雜性,這些缺點嚴重限制了步進電機作為優良的開環控制組件的有效利用。細分驅動技術在一定程度上有效地克服了這些缺點。
步進電機細分驅動技術是年代中期發展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動技術。年美國學者、首次在美國增量運動控制系統及器件年會上提出步進電機步距角細分的控制方法。在其後的二十多年裡,步進電機細分驅動得到了很大的發展。逐步發展到上世紀九十年代完全成熟的。我國對細分驅動技術的研究,起步時間與國外相差無幾。
在九十年代中期的到了較大的發展。主要套用在工業、航天、機器人、精密測量等領域,如跟蹤衛星用光電經緯儀、軍用儀器、通訊和雷達等設備,細分驅動技術的廣泛套用,使得電機的相數不受步距角的限制,為產品設計帶來了方便。目前在步進電機的細分驅動技術上,採用斬波恆流驅動,儀脈衝寬度調製驅動、電流矢量恆幅均勻旋轉驅動控制止,,幾大大提高步進電機運行運轉精度,使步進電機在中、小功率套用領域向高速且精密化的方向發展。
最初,對步進電機相電流的控制是由硬體來實現的,通常採用兩種方法，採用多路功率開關電流供電,在繞組上進行電流疊加,這種方法使功率管損耗少,但由於路數多,所以器件多,體積大。
先對脈衝信號疊加,再經功率管線性放大,獲得階梯形電流,優點是所用器件少,但功率管功耗大,系統功率低,如果管子工作在非線性區會引起失真、由於本身不可克服的缺點,因此目前已很少採用這兩類方法。
指標術語
靜態指標術語
1、相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。
2、拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈衝數或導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈衝數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
步進電機（圖5）
步進電機（圖5）3、步距角：對應一個脈衝信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度/（轉子齒數*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。
4、定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。
5、靜轉矩：電機在額定靜態電壓作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分採用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。
動態指標術語
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。用百分比表示：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。
步進電機（圖6）
步進電機（圖6）2、失步：電機運轉時運轉的步數，不等於理論上的步數。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，採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係的曲線稱為運行矩頻特性，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。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於電機運行時的平均電流（而非靜態電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。要使平均電流大，儘可能提高驅動電壓，採用小電感大電流的電機。
步進電機（圖7）
步進電機（圖7）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。
8、電機正反轉控制：當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉，通電時序為DA-CD-BC-AB或()時為反轉。
特點特性
主要特點
1、一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。
2、步進電機外表允許的最高溫度。
步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至於失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決於不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
步進電機（圖8）
步進電機（圖8）3、步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。
當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。
4、步進電機低速時可以正常運轉,但若高於一定速度就無法啟動,並伴有嘯叫聲。
步進電機有一個技術參數：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衝頻率，如果脈衝頻率高於該值，電機不能正常啟動，可能發生失步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈衝頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然後按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。
步進電動機以其顯著的特點，在數位化製造時代發揮著重大的用途。伴隨著不同的數位化技術的發展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到套用。
主要特性
1、步進電機必須加驅動才可以運轉，驅動信號必須為脈衝信號，沒有脈衝的時候，步進電機靜止，如果加入適當的脈衝信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉動。轉動的速度和脈衝的頻率成正比。
步進電機（圖9）
步進電機（圖9）2、三相步進電機的步進角度為7.5度，一圈360度，需要48個脈衝完成。
3、步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優越特性。
4、改變脈衝的順序，可以方便的改變轉動的方向。
因此，印表機、繪圖儀、機器人等設備都以步進電機為動力核心。
控制策略
1 PID 控制
PID 控制作為一種簡單而實用的控制方法 , 在步進電機驅動中獲得了廣泛的套用。它根據給定值 r( t) 與實際輸出值 c(t) 構成控制偏差 e( t) , 將偏差的比例 、積分和微分通過線性組合構成控制量 ,對被控對象進行控制 。文獻將集成位置感測器用於二相混合式步進電機中 ,以位置檢測器和矢量控制為基礎 ,設計出了一個可自動調節的 PI 速度控制器 ,此控制器在變工況的條件下能提供令人滿意的瞬態特性 。文獻根據步進電機的數學模型 ,設計了步進電機的 PID 控制系統 ,採用 PID 控制算法得到控制量 ,從而控制電機向指定位置運動 。最後 ,通過仿真驗證了該控制具有較好的動態回響特性 。採用 PID 控制器具有結構簡單 、魯棒性強 、可靠性高等優點 ,但是它無法有效應對系統中的不確定信息 。
目前 , PID 控制更多的是與其他控制策略相結合 , 形成帶有智慧型的新型複合控制 。這種智慧型複合型控制具有自學習 、自適應 、自組織的能力 ,能夠自動辨識被控過程參數 , 自動整定控制參數 , 適應被控過程參數的變化 ,同時又具有常規 PID 控制器的特點。
2 自適應控制
自適應控制是在 20 世紀 50 年代發展起來的自動控制領域的一個分支 。它是隨著控制對象的複雜化 ,當動態特性不可知或發生不可預測的變化時 ,為得到高性能的控制器而產生的 。其主要優點是容易實現和自適應速度快 ,能有效地克服電機模型參數的緩慢變化所引起的影響 ,是輸出信號跟蹤參考信號 。文獻研究者根據步進電機的線性或近似線性模型推導出了全局穩定的自適應控制算法 , 這些控制算法都嚴重依賴於電機模型參數 。文獻將閉環反饋控制與自適應控制結合來檢測轉子的位置和速度 , 通過反饋和自適應處理 ,按照最佳化的升降運行曲線 , 自動地發出驅動的脈衝串 ,提高了電機的拖動力矩特性 ,同時使電機獲得更精確的位置控制和較高較平穩的轉速 。
目前 ,很多學者將自適應控制與其他控制方法相結合 ,以解決單純自適應控制的不足。文獻設計的魯棒自適應低速伺服控制器 ,確保了轉動脈矩的最大化補償及伺服系統低速高精度的跟蹤控制性能 。文獻實現的自適應模糊 PID 控制器可以根據輸入誤差和誤差變化率的變化 , 通過模糊推理線上調整 PID參數 ,實現對步進電機的自適應控制 , 從而有效地提高系統的回響時間 、計算精度和抗干擾性 。
3 矢量控制
矢量控制是現代電機高性能控制的理論基礎 ,可以改善電機的轉矩控制性能 。它通過磁場定向將定子電流分為勵磁分量和轉矩分量分別加以控制 ,從而獲得良好的解耦特性 ,因此 , 矢量控制既需要控制定子電流的幅值 ,又需要控制電流的相位 。由於步進電機不僅存在主電磁轉矩 , 還有由於雙凸結構產生的磁阻轉矩 , 且內部磁場結構複雜 , 非線性較一般電機嚴重得多 , 所以它的矢量控制也較為複雜 。文獻[ 8] 推導出了二相混合式步進電機 d-q 軸數學模型 ,以轉子永磁磁鏈為定向坐標系 ,令直軸電流 id =0 ,電動機電磁轉矩與 i q 成正比 , 用PC 機實現了矢量控制系統 。系統中使用感測器檢測電機的繞組電流和轉自位置 ,用 PWM 方式控制電機繞組電流 。文獻推導出基於磁網路的二相混合式步進電機模型 , 給出了其矢量控制位置伺服系統的結構 ,採用神經網路模型參考自適應控制策略對系統中的不確定因素進行實時補償 ,通過最大轉矩/電流矢量控制實現電機的高效控制 。
4 智慧型控制的套用
智慧型控制不依賴或不完全依賴控制對象的數學模型 ,只按實際效果進行控制 , 在控制中有能力考慮系統的不確定性和精確性 , 突破了傳統控制必須基於數學模型的框架 。目前 , 智慧型控制在步進電機系統中套用較為成熟的是模糊邏輯控制 、神經網路和智慧型控制的集成 。
4 . 1 模糊控制
模糊控制就是在被控制對象的模糊模型的基礎上 ,運用模糊控制器的近似推理等手段 ,實現系統控制的方法 。作為一種直接模擬人類思維結果的控制方式 , 模糊控制已廣泛套用於工業控制領域 。與常規控制相比 ,模糊控制無須精確的數學模型 , 具有較強的魯棒性 、自適應性 , 因此適用於非線性 、時變 、時滯系統的控制 。文獻[ 16] 給出了模糊控制在二相混合式步進電機速度控制中套用實例 。系統為超前角控制 ,設計無需數學模型 ,速度回響時間短 。
4 . 2 神經網路控制
神經網路是利用大量的神經元按一定的拓撲結構和學習調整的方法 。它可以充分逼近任意複雜的非線性系統 ,能夠學習和自適應未知或不確定的系統 ,具有很強的魯棒性和容錯性 ,因而在步進電機系統中得到了廣泛的套用 。文獻將神經網路用於實現步進電機最佳細分電流 , 在學習中使用 Bay es 正則化算法 ,使用權值調整技術避免多層前向神經網路陷入局部極小點 ,有效解決了等步距角細分問題 。
測速方法
步進電機是將脈衝信號轉換為角位移或線位移。
步進電機（圖10）
步進電機（圖10）一是過載性好。其轉速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時就會出現速度下降的情況，步進電機使用時對速度和位置都有嚴格要求。
二是控制方便。步進電機是以“步”為單位旋轉的，數字特徵比較明顯。
三是整機結構簡單。傳統的機械速度和位置控制結構比較複雜，調整困難，使用步進電機後，使得整機的結構變得簡單和緊湊。測速電機是將轉速轉換成電壓，並傳遞到輸入端作為反饋信號。測速電機為一種輔助型電機，在普通直流電機的尾端安裝測速電機，通過測速電機所產生的電壓反饋給直流電源，來達到控制直流電機轉速的目的。
功能模組設計
本模組可分為如下3個部分：
· 單片機系統：控制步進電動機；
· 外圍電路：PIC單片機和步進電動機的接口電路；
· PIC程式：編寫單片機控制步進電功機的接口程式，實現三角波信號的輸出功能。
（1）步進電動機與單片機的接口。
單片機是性能極佳的控制處理器，在控制步進電機工作時，接口部件必須要有下列功能。
①電壓隔離功能。
單片機工作在5V，而步進電機是工作在幾十V，甚至更高。一旦步進電機的電壓串到單片機中，就會損壞單片機；步進電機的信號會干擾單片機，也可能導致系統工作失誤，因此接口器件必須有隔離功能。
②信息傳遞功能。
接口部件應能夠把單片機的控制信息傳遞給步進電機迴路，產生工作所需的控制信息，對應於不同的工作方式，接口部件應能產生相應的工作控制波形。
③產生所需的不同頻率。
為了使步進電機以不同的速度工作，以適應不同的目的，接口部件應能產生不同的工作頻率。
（2）電壓隔離接口。
電壓隔離接口專用於隔離低壓部分的單片機和高壓部分的步進電機驅動電路，以保證它們的正常工作。
電壓隔離接口可以用脈衝變壓器或光電隔離器，基本上是採用光電隔離器。單片機輸出信號可以通過TTL門電路或者直接送到電晶體的基極，再由電晶體驅動光電耦合器件的發光二極體。
發光二極體的光照到光電耦合器件內部的光敏管上，轉換成電信號，再去驅動步進電機的功率放大電路，電流放大接口是步進電機功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號進行電流放大，以便向功放電路提供足夠大的驅動電流。
（3）工作方式接口和頻率發生器。
用單片機控制步進電動機，需要在輸入輸出接口上用3條I/0線對步進電動機進行控制，這時，單片機用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進電動機的三相。
優勢及缺陷
優點
1、電機旋轉的角度正比於脈衝數；
步進電機（圖11）
步進電機（圖11）2、電機停轉的時候具有最大的轉矩（當繞組激磁時）；
3、由於每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重複性；
4、優秀的起停和反轉回響；
5、由於沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決於軸承的壽命；
6、電機的回響僅由數字輸入脈衝確定，因而可以採用開環控制，這使得電機的結構可以比較簡單而且控制成本；
7、僅僅將負載直接連線到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉；
8、由於速度正比於脈衝頻率，因而有比較寬的轉速範圍。
缺陷
1、如果控制不當容易產生共振；
2、難以運轉到較高的轉速；
3、難以獲得較大的轉矩；
4、在體積重量方面沒有優勢，能源利用率低；
5、超過負載時會破壞同步，高速工作時會發出振動和噪聲。
驅動方法
步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器，它由脈衝發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。驅動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口。
驅動要求
1、能夠提供較快的電流上升和下降速度，使電流波形儘量接近矩形。
步進電機（圖12）
步進電機（圖12）具有供截止期間釋放電流流通的迴路，以降低繞組兩端的反電動勢，加快電流衰減。
2、具有較高韻功率及效率。
步進電機驅動器，它是把控制系統發出的脈衝信號轉化為步進電機的角位移，或者說：控制系統每發一個脈衝信號，通過驅動器就使步進電機旋轉一個步距角。也就是說步進電機的轉速與脈衝信號的頻率成正比。所以控制步進脈衝信號的頻率，就可以對電機精確調速；控制步進脈衝的個數，就可以對電機精確定位。步進電機驅動器有很多，應以實際的功率要求合理的選擇驅動器。
電機選擇
步進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。
1、步距角的選擇
電機的步距角取決於負載精度的要求，將負載的最小解析度（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等於或小於此角度。市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。
2、靜力矩的選擇
步進電機的動態力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恆速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。
3、電流的選擇
靜力矩一樣的電機，由於電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流。
注意
1、步進電機套用於低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低；
2、步進電機最好不使用整步狀態，整步狀態時振動大；
3、由於歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值 ，可根據驅動器選擇驅動電壓（建議：57BYG採用直流24V-36V，86BYG採用直流50V,110BYG採用高於直流80V），當然12伏的電壓除12V恆壓驅動外也可以採用其他驅動電源， 不過要考慮溫升；
4、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機；
5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而採用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度；
6、高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或採用高細分數的驅動器來解決，也可以採用5相電機，不過其整個系統的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話；
7、電機不應在振動區內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決；
8、電機在600PPS（0.9度）以下工作，應採用小電流、大電感、低電壓來驅動；
9、應遵循先選電機後選驅動的原則。
