网络化工厂，便携式应用推动新发展
步进马达是一种新型的无刷 DC 电机 (BLDC) ，对施加在定子线圈上的外部驱动信号作出响应，以离散步骤方式运转。虽然步进马达已经存在很长一段时间，但是仍不断有新的发展出现，以适应新兴应用以及行业的发展趋势。
步进马达历史
步进马达 的起源 可以追溯到十九世纪的“电磁发动机”，这是在 1919 年被授予的关于步进马达结构的一个关键性专利，实际应用于 20 世纪 20 年代出现在海军舰艇上。第一个现代的步进马达设计，虽然，首先在 20 世纪 50 年代得到发展，并在随后的十年中成为流行。
步进马达工作原理
步进马达通常包含 2 套定子线圈，称为“相位”，它由正交信号独立驱动。每个相位按顺序依次通电，电机就会转动，一步一步运行，使转子上的齿对齐当前被激励的定子线圈。大多数步进马达的设计都包括磁铁及转子和定子上的齿，永久磁铁位于转子上，电磁铁在定子上。电机的转速随着脉冲激励信号的变化率而变化，通过倒置脉冲序列来改变旋转方向。该控制方案不需要任何位置信息反馈到控制器，因此步进马达是固有的开环设备。
有许多不同的方式来驱动定子相位，包括全步、半步或微步，取决于所使用的控制技术。
图 1：工业步进马达和控制器的选择。(来源： Arcus)
像所有的马达一样，步进马达有很多不同的尺寸和风格，相比于其他类型的马达，步进马达有其优势也有劣势。
在有利方面，步进马达成本低、坚固耐用、易于构建，并表现出较高的可靠性。他们的开环的性质意味着他们是简单的驱动和控制。步进马达在低速时也可提供优异的转矩，它的转矩是同尺寸有刷马达连续转矩的五倍，是等效无刷马达扭矩的两倍。通常不需要变速箱。最后，与伺服马达相比，步进马达更加安全并且更不容易失控，无论控制器内部是否有故障。
另一方面，步进马达的确也有一些缺点。反馈元件的缺乏意味着绝对位置是未知的——仅有相对的步进位置，所以每错过一步表示一个增量误差。因此，必须重置马达到一个已知的位置上启动电源，或者经过系统复位，通常是采用全方位运行方法，直到遇到机械停止。此外，定位精度取决于所用机械齿轮或滚珠丝杠的精密度。开环的操作也会导致出现难以抑制的滞后—超前振荡，在特定的步进频率上出现共振效应以及需要相对较长的稳定时间。
步进马达消耗电流不受负载条件影响，因此往往会热运行；损失速度比较高从而造成过热，而且运行时经常很吵，尤其是在高速情况下。低转速性能粗糙，除非采用了细分控制，而且它们并不适宜高速应用，因为它们需要连续不断的更高电压使电流在速度增加时及时变化。
步进马达的最新进展
自 20 世纪 60 年代以来，步进马达一直很受欢迎，但这并不表示该技术陷于停滞。多年来发生在步进马达及其控制系统的很多方面都进行了持续的改进，尤其是 20 世纪 70 年代细分控制的发明，接着便是十年后商业控制器的出现。下面是步进马达发展的四个最新趋势。
闭环步进马达控制
强大的、低成本的微控制器及矢量或者磁场定向 (FOC) 控制策略的到来导致了 运动控制器 的出现，它可以运行带有编码器反馈的步进马达，形成闭环控制步进马达控制，并可以解决上述的许多缺点。
步进马达闭环控制的好处包括，较之于开环步进马达，它可以大幅提高速度平滑度并降低功耗，而且相较于传统三相无刷伺服马达，其低速转矩更高。此外，闭环系统可以检测和修正失步位置误差。
闭环步进马达可应用于半导体设备、机器人技术、纺织机、测试和检测系统以及绕线机。
适用于便携式电子设备的微型步进马达
有一个趋势正在影响所有的电子设备，从连接器到电池乃至马达，即必然会走近更小和更轻的设备。台式机现在已可以穿戴，以前需要专门一个房间的设备现在可以置于有轮板车上进行挪动。这反过来又驱动着元器件变得越来越小，而步进马达也不例外。
图 2：一种带有线性始动器和集成透镜的小型步进马达。（来源： Elabz）
微型的步进马达相应地造成了微型的机械配件。图 2 显示了一个微型步进马达总成，配有一根集成引线丝杠，作为线性始动器用来移动 HP DVD 驱动器中的激光镜头。整个组件在一枚 10 美分硬币大小的面积上装配得非常合适贴切，其直径仅为 17.9 mm！
网络化步进马达总成
现代的自动化工厂使用多个工作单元，它们分布在整个厂区，由一个可编程控制器通过一个工业网络协定，如 Fieldbus， 以太网或 CAN 来运行。该网络允许关键及时效性数据和信息很方便地在各种分布式控制中间流动，以实现高度凝聚而又独立控制的系统工作单元。
更高的效率、更简单的布线、模块化可扩展性、故障更容易排除以及更小的尺寸，这些追求永无止境，这种趋势就是为了尽量把智能化推进到信号链中，因为许多集成化步进马达解决方案是将步进马达、编码器、（若需要闭环操作）马达驱动器和网络接口整合在一个单元装置上，智能化引领了这种发展。
配有编码器、驱动程序和控制器的传统步进马达，可以容纳 20 个或更多的布线连接，会增加错误的可能性。新方法可以为原始设备制造商 (OEM)带来很多好处，包括更快速安装、降低电气噪声可能性，封装更小，降低安装成本以及更易于排除故障。对于最终用户，好处包括具有更高的可靠性、更容易更换、更长的在线时间及更高的生产力。
但也有一些缺点。集成步进马达的初始成本较高，更换成本也很高，因为即便只有一个单一元器件出现故障，整个单元也必须更换。而且，许多生产集成步进马达的制造商，他们会把马达的额定值稍微调低以减少产生的热量，因为热量是发生电子故障的主要原因。此外，对集成步进马达的选择可能会比分类的同行们还更加有限。
容错设计
许多步进马达会在安全性至关重要的应用设备中运行，其中任何故障都可能会导致灾难性的系统故障。可以在航空航天、医疗、运输、军事和核领域中找到很多范例。有各种方法，可以减少此类故障的发生，包括系统容错设计的概念，即系统在元器件部件出现故障后仍可以成功运行冗余设计——在两个或两个以上的复制系统上执行每一个关键性操作。
对于大型设备，复制系统也许可行，但在许多空间受限的应用中也许并不可行。从步进马达的角度来看，故障容错有一些特征，例如：
- 更高的冗余使用 同一轴上分段使用相同的马达，
- 电气隔离 相位以防止相位间短路，
- 磁解耦合绕组 以避免在其他相位发生故障情况下性能下降，和
- 物理隔离相位 以防止故障传播到相邻相位并加强热绝缘。
该领域的最新进展是，微型容错两相步进马达的研发，它具有四个绕组，彼此独立，但默认情况下通常连接。但是在容错设计中，四绕组相互间采用电隔离，产生出带有物理隔离和电隔离的两个两相步进马达。
该绕组仅为部分磁耦合，这种冗余配置较标准配置，其转矩会降低约 30%，增加相电流可以对此补偿。许多微型马达都是针对诸如医疗设备、航空航天和光子等应用。
用于步进马达控制的集成电路
Arrow 可为步进马达控制提供诸多解决方案。例如，Texas Instruments 推出了新的 DRV8800 —— 2A 步进马达驱动器，配备 1/6 细分控制索引器和 AutoTune 功能，能自动调谐步进马达以获得最佳的电流调节性能，并可以补偿运动变化和老化的影响。
参阅相关产品
Microchip 还拥有大量的产品组合，包括步进马达的驱动开发包，如 dsPICDEM MCSM 开发板，用于控制开环或闭环模式下的单极性和双极性步进马达。可以提供控制步进马达在开环或闭环条件下以全步或可变微步运行的软件，以及控制步进指令、马达参数输入和运行模式的图形用户界面 (GUI)。