今天的步进电机吹嘘反馈，智能和增加的扭矩密度以提高性能。

Stepper Motors传统上是行动世界的工作主流 - 不迷人，也许有效。虽然它们无法达到伺服电机的扭矩或速度水平，但它们长期以来为各种低科技应用提供更简单，更经济的解决方案，如印刷和医疗诊断。现在，硬件和软件的进步导致步进电机比以往任何时候都更加准确，智能化和强大。

步进电机具有由多个绕组包围的转子磁铁（参见图1）。通常，电动机在步骤阶段序列上操作，这只是一系列命令，该命令能够在设定的时间增量时激励阶段，以便以离散的步长而不是连续移动电机。

步进电机通常操作开环。它们不包含反馈，而是通过跟踪从起始位置所采取的步数次数来监视位置。具有较少的组件，更简单的电子设备和最小的故障点，步进电机比伺服电机更容易安装和更便宜。

永磁步进电机具有另一个良好的能力 - 当拆下电源时，它们保持其位置。“直流电动机将通过关闭电源轻松旋转，而使用步进电机可以感受到制动，”鲍勃Martucci，Applications Enginemer Micromo说。“你必须将其旋转出其中一个职位以便获得it to move, especially if there’s a gearbox on it.”

当然，该技术有其局限性，其中一个是速度。扭矩在步进电机中高速下降，因为电流在相快速之间切换，因此它没有足够的时间来达到线圈中的全价值。在电机可以达到最大扭矩值之前，驱动器已经在下一个线圈上激励。

对于高速应用，伺服电机可能提供比步进电机更好的解决方案。“在一个NEMA 34电机中，混合动力步进电机可以达到几千rpm，”Portescap的项目经理Dave Beckstoffer说。“一旦你经过过去，那么你将不得不去伺服电机解决方案。”

根据BeckStoffer，NEMA 34表示步进电机和伺服电机技术的使用之间的倾向点。“任何NEMA 34一堆和下面的东西对河流更具成本效益，”他说。“NEMA 34两堆叠层和上面的伺服电机更具成本效益。”

新的和改进
近年来，步进电机技术出现了许多新的趋势。也许最重要的是扭矩密度的急剧增加。多年来，步进电机的标准是圆柱形的铝镍钴(AlNiCo)磁铁。如今，AlNiCo已经被更为奇特的钕所取代，后者的能量含量要高得多。增加的磁场强度允许步进电机的记录扭矩密度水平翻倍。突然，马达就可以提供更高的输出扭矩在相同的形式因素。另外，需要产生一定数量扭矩的电机的尺寸也大幅下降。

实际上，永远萎缩的形状因素构成了另一个步进电机趋势。“小型化就是这样，”Martucci说。“今天，您可以获得直径为6毫米和6毫米行星齿轮箱的步进电机。它开辟了新的应用程序。有一些设备在由于要求的尺寸要求之前，可以在尺寸之前使用步进电机，而现在它们可以像分析仪或快门驱动器一样。“

磁体形状因子的变化也有助于这种缩小化。最新设计是盘磁体步进器，其中薄的盘形磁铁取代了传统的圆柱形磁体（参见图2）。较小的较轻的磁体减少惯性，这使得电动机可以实现比标准设计更高的速度和更快的加速度。权衡增加了成本，主要是由电机的独特设计驱动。

关闭循环
一个步进电机开环运行有点像好小女孩-当它工作时，它是伟大的，但当它不，问题是严重的。如果扭矩的应用超过了步进电机的能力，电机可以失去同步和错过步骤。这不仅会引入误差，而且因为单元是开环操作，系统无法检测误差或确定负载在空间中的确切位置。

扭矩过载的常见原因是过量负载惯量或振动。避免这些问题的最佳方法是正确尺寸。这意味着采取非常保守的电机规范方法。“您可以依赖的速度扭矩常数的最大值实际上只有70％的发布速度扭矩曲线，”Martucci“说，”或50％，如果你想额外的安全。“

保守尺寸是一种控制位置误差的一种方法。使用反馈提供另一个。拇指的规则曾经是伺服电机运行闭环，而步进电机ran开放循环。如今，对于某些应用，操作步进电机闭环是有道理的。授予，该方法增加了成本和复杂性，但在某些情况下，它可能值得。“你要关闭循环的主要原因是在电机故障可能威胁的应用中，”Beckstoffer说。“如果你有一个打印机应用程序，并且突然存在大卡纸，那么电机的事实没有实现它的运动不是什么大问题。”

即使使用额外的软件和硬件，闭环步进电机仍然在某些情况下为伺服电机提供优势。“一般而言之，电子产品仍然比伺服电机更简单，”Beckstoffer Notes。“你基本上只是指挥台阶和读取这个位置，你不是在绕线中监视绕线或伺服电机所需的换向的电流。”另外，闭环步进电机可能拟合成比等效伺服电动机的较小形状因子。

运行步进电机闭环的挑战之一是由运动的离散形式引入。每次电机完成步骤时，它都会振荡其平衡位置。根据系统中的惯性量，该振铃可以使动作的外观成为电子设备寄存器脉冲的点，引入反馈回路旨在消除的非常误差。必须在系统设计和测试中进行护理，以确保这不会发生。

监测位置
一个闭环系统测量其位置上的误差并对其进行修正。换句话说，它是一种滞后的或反应性的设计。在某些应用中，步进电机的部分价值在于其开环操作消除了指令和动作之间的时间间隔——当系统指令一个步进时，步进电机执行一个步进。保持同步同时最小化误差的一种方法是使用编码器之类的反馈设备定期检查位置，并确保设备在用户定义的窗口内运行。这通常发生在运动控制器刷新率的时间尺度上——在10到20毫秒的量级上——而不是像伺服电机那样在微秒的量级上。

施耐德电气(Schneider Electric, Knightdale, North Carolina)的运动产品经理萨姆·班迪(Sam Bandy)表示，这种方法在不大幅增加成本的情况下提高了性能。他表示:“这不是闭环控制，而是监控控制。”“如果你积极关闭步进上的循环，您将失去步进具有唯一的功能。打印或调平的应用程序不能具有反应设备，它们需要具有同步设备。“（见图3）

检测丢失步骤的第三种方法是更少的控制。无传感器控制而不是将编码器或其他位置传感器添加到系统，而是使用系统固有的特性来获得性能数据。

例如，绕组中的电流可以指示关于指令位置的振荡程度。“如果转子上的传感器，则可以“监测在不活跃状态下发生的事情，”威斯康辛州密尔沃基市马凯特大学(Marquette University)工程设计Robert C. Greenheck主席凯文·克雷格(Kevin Craig)说。“线圈也在磁场中运动，这会导致电流流动。你可以利用这些信息——系统中固有的东西——来了解系统在做什么，并更好地控制它。”

通过将数据与详细的模型相结合，提供了优化系统性能的最佳方法观察者控制．如果系统包含一个未被充分利用的微控制器(许多系统都是这样)，那么该方法将在不增加成本的情况下提高性能。

数据与建模的结合可以为精度问题提供创新性的解决方案。克雷格说:“你不需要在固定的时间增量中一个接一个地激活阶段，你可以随时激活阶段。”“你甚至可以倒回去，激活之前的阶段，为系统添加我们所说的电子阻尼。”

Craig的团队在复制机器应用中，在整理台中的柔性快速移动的捆包臂足够振动，使步进电机错过步骤（见图4）。而不是寻找像硬化或机械抑制臂一样的问题的机械解决方案，通过在相反的运动方向上激励相位来以电子方式解决它（参见图5）。“你把刹车放在上面，因为它接近它的目标，”克雷格说。“只需用特定的方式激励阶段，具有将非常廉价地抑制系统的特定电流水平。它实际上是下午要做的。“

智能，增加的扭矩密度和准确性能的新选项正在制作步进电机的选择技术，以增加应用范围。“随着步进电机在相同的物理维度下提供更多功率，它们为那些不需要非常精确控制的应用程序带来的成本，但确实需要低速和高扭矩操作，”匪徒说。“您可以选择步进并降低系统成本并减少设置时间。”对于高性能，没有任何东西会击败伺服电机。然而，对于需要平衡成本和易于使用性能的应用，步进电机仅提供正确的答案。