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一、步进电机的分类
步进电机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式3类。电磁式步进电机按结构可分为反应式、永磁式和混合式三大类；其按相数则可分为单相、两相和多相3种。目前使用最广泛的是反应式和混合式步进电机。步进电机如图9-1-2所示。
图9-1-2 步进电机
●反应式步进电机（Variable Reluctance，VR）：其转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。
●永磁式步进电机（Permanent Magnet，PM）：其转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以步距角一般比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。
●混合式步进电机（Hybrid，HB）：综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子励磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料的工作点，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。
二、步进电机的结构及工作原理
步进电机由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一个矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一个角度，使得转子的一对磁极与定子沿着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每到来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。
根据电磁感应定律可知，激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，如图9-1-3所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场垂直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。
图9-1-3 电磁感应原理(https://www.daowen.com)
步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。步进电机分为二相、三相、四相、五相等类型，常用的以二相、四相为主。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍3种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。四相单四拍为A-B-C-D-A步距角为1.8°；四相双四拍为AB-BC-CD-DA-AB步距角为1.8°；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB步距角为0.9°。
四相步进电机示意图如图9-1-4所示，开始时，开关 SB 接通电源，SA、SC、SD断开，B 相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿和 D、A 相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、B、C、D 方向转动。
图9-1-4 四相步进电机示意图
四相单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图4-1-5所示。
图9-1-5 工作时序图
三、7路反向器ULN2003A
ULN2003A是一个7路反向器，如图9-1-6所示。当输入端为高电平时，ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时，ULN2003A输出端为高电平。由于ULN2003A是集电极开路输出，为了让这个二极管起到续流作用，必须将COM引脚（9）接在负载的供电电源上，只有这样才能够形成续流回路。其广泛应用于步进电机驱动、显示驱动、继电器驱动等电路中。
图9-1-6 7路反向器ULN2003A
