由于步进电动机能直接接收数字量信号，所以被广泛应用于数字控制系统中。较简单的控制电路是一些数字逻辑单元组成，即采用硬件的方式。但要改变系统的控制功能，一般都要重新设计硬件电路，因此控制电路的灵活性较差。同时以微型计算机为核心的计算机控制系统来作为步进电动机的控制系统开辟了新的途径，利用计算机的软件或软、硬件相结合的方法能使系统的功能大大增强，同时也提高了系统的灵活性和可靠性。

以步进电动机作为执行元件的数字控制系统，有开环和闭环两种形式。

2.3.3.1　开环控制系统

步进电动机系统能实现精确位移、精确定位，且无积累误差等特点。这是因为步进电动机的运动受输入脉冲控制，其位移量是断续的，严格来说，总的位移量等于输入的指令脉冲数或平均转速与输入指令脉冲的频率成正比；若能准确控制输入指令脉冲的数量或频率，就能够完成精确的位置或速度控制，无需系统的反馈，形成开环控制系统。

步进电机的开环控制系统，由控制器（包括变频信号源）、脉冲分配器、驱动电路及步进电动机四部分组成，如图2.24所示。

图2.24　步进电动机开环控制原理框图

开环控制系统的精度，主要取决于步距角的精度和负载状况。

开环控制常常采用加减定位控制方式。因为步进电动机的启动频率要比连续运行频率小，所以开环控制的脉冲指令频率，只有小于电机的最大启动频率，电动机才能成功启动。若电动机的工作频率总是低于最高启动频率，当然不会失步，但还没有充分发挥电机的潜力，工作效率太低。为此，常用加减速定位控制。电动机开始以低于最高启动频率的某一频率启动，然后再逐步提高频率，使电机逐步加速，到达最高运行频率，电动机高速转动。在到达终点前，降低频率使电动机减速，这样就可以既快又稳地准确定位，如图2.25所示。由于步进电动机的电磁转矩受频率影响较大，所以负载的加减速控制不能像普通电动机那样。为了实现加减速的最佳控制，往往是分段设计加速转矩和加速时间，采用微机控制来实现。

图2.25　加减速定位过程

开环驱动的步进电动机系统以其成本低、定位精度较高、低速输出力矩大及掉电时有定位力矩等优点，在数字控制系统中得到广泛的应用，但开环控制使系统存在振荡区，在使用时必须避开振荡点，否则速度波动很大，严重时可能导致失步，同时，启动受到限制。一般要通过控制外加的速度给定，按一定的升速规律实现启动，必须有足够长的升速过程。这导致它在速度变化率较大的使用场合受到了限制。另外，抗负载波动的能力较差。

如果负载出现冲击转矩，电机可能失步或堵转。所以一般不能满载运行，必须留有足够的余量。这导致电动机的容量得不到充分应用。开环控制一般无法实现有效的功角控制，定子电流中有很大的无功电流成分，驱动电流过大，加大了电动机的损耗，所以它的效率一般较低。

鉴于无功电流成分造成电动机损耗，导致效率过低的问题，这里简要介绍一下电动机无功就地补偿原理。

工业企业用电设备大部分使用的交流异步电动机，其流入异步电动机的电流包括有功电流和无功电流两个部分。有功电流主要是拖动负载做功。无功电流又分为产生磁场的励磁电流和电动机内一、二次漏磁电流两个部分。

由于无功电流的存在（必须的），而要从电源索取比实际多的电能，才能满足电动机的工作需要。这就增加了电网的负担，削弱了电源输出能力，同时还增加电能损耗。电动机的无功补偿，就是把电容器直接并联在电动机接触器下面（或电动机接线端子上），使电动机所需要的无功电流的大部分仍由并联电容器供给。这样既可以减轻电源负担，提高电网输出能力，又可以减少电能损耗。

无功就地补偿接线的接法（三角形接法）。电容器额定电压为380V，在电源线电压一定情况下，电容器做三角形连接时再将三角分别接到电动机引出线端子上，每千瓦可提供的超前无功电流是电容器星形连接时的3倍，因此三角形接法可提供较大的无功功率。

无功就地补偿的特点，由于在集中补偿设备管理上欠妥，致使集中补偿设备失灵，失去自动跟踪补偿作用，或者采用手动投切时，不及时、不准确，这样都会增加电能损失。而在电动机无功就地补偿后：

（1）具备集中补偿能力。

（2）高压配电线路及配电变压器配电线路的无功流动问题。

（3）最主要是解决了低压配电线路的无功流动问题。

（4）使电动机在较合理状态下运行，维持了电动机的额定力矩，避免电动机发热。

几年来使用无功就地补偿技术的实践证明，由于电动机受生产工艺要求制约，设备使用现场供电距离及设备原配套时留有裕量等原因，促成了大部分电动机都是在高能耗、低效益状态下运行。采用无功就地补偿后，不仅节电，同时对保证供电质量、防止设备超载运行、防止接点发热、防止电动机和线路绝缘老化及提高变压器供电能力等方面都起到了良好的作用。电动机无功就地补偿技术的发展，最大限度地提高了电动机的功率因数，这也是中国将来的发展趋势。

2.3.3.2　闭环控制系统(www.daowen.com)

在开环控制系统中，电动机响应控制指令后的实际运行情况，控制系统是无法预测和监控的。在某些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电动机很容易失步，使整个系统趋于失控。另外，对于高精度的控制系统，采用开环控制往往满足不了精度的要求。因此必须在控制回路中增加反馈环节，构成闭环控制系统，如图2.26所示。与开环系统相比多了一个由位置传感器组成的反馈环节。将位置传感器测出的负载实际位置与位置指令值相比较，用比较信号进行控制，即防止了失步、震荡，还提高了系统的精度。

图2.26　步进电动机闭环系统原理框图

闭环控制系统的精度与步进电动机有关，但主要是取决于位置传感器的精度。在数字位置随动系统中，为了提高系统的工作速度和稳定性，还应该有速度反馈内环。

随着工业应用的不断深入和相关技术的发展，人们对步进电动机应用系统提出了越来越高的性能要求。闭环伺服控制运行方式从根本上解决了震荡和失步问题，实现了绕组电流的有效控制，提高了效率，拓宽了步进电动机运动控制系统的应用领域。

2.3.3.3　步进电动机的步数与速度控制

1.步数控制

步进电动机在用于软件驱动、打印机或数控机床进给系统中，都需要精确定位，所以在编写程序时，需先给定应走的步数。

【例2-1】某数控机床进给系统的五相步进电动机步距角θ=1.5°，脉冲当量δp=0.005mm/脉冲，要求走刀距离为L=20cm。则需要个脉冲，即要走4×104步（166.7圈）才能走完这段距离。

通过上例可以了解步进电动机的运转步数与输入脉冲之间的关系，达到控制步数。

图2.27　软件产生的脉冲波形图

2.速度的控制

通过控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。速度控制也有硬、软件两种方法。硬件方法是在硬件脉冲分配器的脉冲输入端（CP）接一个可变频率脉冲发生器，改变其振荡频率，即可改变步进电动机速度。

软件方法常采用改变脉冲周期大小的办法，如图2.27所示，脉冲高度是由使用的数字元件电平来决定，如一般TTL电平为0~5V，CMOS电平为0~10V等。在常用的接口电路中，多为0~5V。接通和断开时间的长短可用延时来控制，如果接通和断开时间加长，那么脉冲周期也变长，则一定时间内的脉冲频率数减少，步进电动机的转速降低。

【例2-2】要求一台三相六拍运行的步进电动机在2s内，走完10圈，转子齿数z=40。步进电动机每进一步需要的时间周期为

且T=t通+t断，而t断是CPU执行程序的时间，为一定值，若t断=100μs，则t通=733μs，即一个脉冲的通电延时时间为733μs。在步进电动机的控制程序中，都设有延时子程序来调速。

另一种方法是改变单片机本身定时器的定时时间常数，来改变脉冲周期，通过中断子程序向输出口分配控制数据。

图2.28　自动升降速时频率和距离的关系

3.自动升降速控制

步进电动机允许的启动频率一般较低（100~250步/s）。当要求告诉运行时，必须从低频启动，然后逐渐加速，否则不能正常启动。制动时也应逐渐降到较低的频率后再制动，否则定位不准。

因此步进电动机实际运行时的频率变化如图2.28所示，图2.28中L1和L2分别为升频区和降频区，fe为最高运行频率，频率按照此变化，就可以最快的速度走完规定的步数，而又不失步。