當(dāng)步進(jìn)電機(jī)切換一次定子繞組的激磁電流時(shí)，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度即步距角。步距角一般由切換的相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩得到，所以需要每相極數(shù)是偶數(shù)。步進(jìn)電機(jī)通常都為兩相以上的，當(dāng)然也有一些特殊的只有一個(gè)線圈的單相步進(jìn)電機(jī)。雖說單相，實(shí)為一個(gè)線圈產(chǎn)生的磁通方向交互反轉(zhuǎn)而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)用的步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)有單相、兩相、三相、四相、五相。

現(xiàn)在使用的步進(jìn)電機(jī)大部分用永磁轉(zhuǎn)子。普遍使用永久磁鐵的原因是效率高，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。以下以介紹永磁轉(zhuǎn)子為主。

決定步距角的因素

步進(jìn)電機(jī)分辨率（一圈的步數(shù)，360°除以步距角）越高，位置精度越高。為了得到高分辨率，設(shè)計(jì)的極數(shù)要多。PM型轉(zhuǎn)子為N與S極在轉(zhuǎn)子的鐵心外表面上交互等節(jié)距放置，轉(zhuǎn)子極數(shù)為N極與S極數(shù)之和，為簡(jiǎn)化講解，假設(shè)極對(duì)數(shù)為1。此處確定轉(zhuǎn)子為永久磁鐵的步進(jìn)電機(jī)的步距角θs由下式表示，其中Nr為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，P為定子相數(shù)，（本課后面敘述的HB型步進(jìn)電機(jī)Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)）：

θs=180°/PNr

上式的物理含義如下：

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的機(jī)械角度為360。,如用極數(shù)2Nr去除，相當(dāng)于一個(gè)極所占的機(jī)械角度即180°/Nr。這就是說，一個(gè)極的機(jī)械角度用定子相數(shù)去分割就得到步距角，此概念如下圖所示。

由式θs=180°/PNr可知，步距角越小，分辨率越高，因此要提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率，就要增加轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)或采用定子相數(shù)P較多的多相式方法。而Nr的增加受到機(jī)械加工的限制，所以要制造高分辨率的步進(jìn)電機(jī)需要兩種方法并用才行。

單相步進(jìn)電機(jī)

單相步進(jìn)電機(jī)是在一個(gè)線圈骨架上纏繞環(huán)形線圈，給它通以正負(fù)交變的電流，每切換一次電流就按固定方向走一步。由于轉(zhuǎn)子磁路所通過的磁導(dǎo)（磁阻的倒數(shù)，表示磁通流過的容易程度）變大為其轉(zhuǎn)動(dòng)方向，故單相步進(jìn)電機(jī)只能按一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。為使轉(zhuǎn)動(dòng)方向確定，磁導(dǎo)采取了多種措施，例如使定子磁極寬于轉(zhuǎn)子,定子與轉(zhuǎn)子之間的工作氣隙不均勻，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)榇抛栊〉姆较颉Ｏ聢D為單相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理。

圖(a)定子繞組通正電流，定子磁極產(chǎn)生N和S極，轉(zhuǎn)子的N和S極被定子磁極吸引，停在圖示位置。當(dāng)定子電流由正變負(fù)時(shí)，在切換過程中，電流接近于零，定子對(duì)轉(zhuǎn)子的吸引力接近零，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁通產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為主，如圖(b)所示，轉(zhuǎn)子的磁通要走氣隙最小的路徑，故轉(zhuǎn)子在磁通力矩的作用下，沿箭頭方向運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子磁極軸線（N和S極的中心線）正對(duì)氣隙最小處停止。當(dāng)定子繞組為負(fù)電流時(shí)，如圖(c)所示，定子磁極的極性反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極受到定子N和S極的斥力和引力作用，沿箭頭方向運(yùn)動(dòng)，直到定轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時(shí)轉(zhuǎn)子停止運(yùn)動(dòng)。加在繞組上的電流再次變換方向由負(fù)變正時(shí)，電流過零變正，則轉(zhuǎn)子經(jīng)過圖(d)向圖(a)移動(dòng)，步距角為180°。上述動(dòng)作反復(fù)進(jìn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)子就能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

從以上單相步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理看出，單相步進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只在定子電流變換時(shí)產(chǎn)生，故其平均轉(zhuǎn)矩比兩相以上的電機(jī)要小得多，響應(yīng)脈沖頻率也在100pps以下，故其用途受到很大限制，只能在響應(yīng)脈沖頻率比較低的輕載下運(yùn)行。例如時(shí)鐘、車用計(jì)時(shí)器（發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)時(shí)器）、水表計(jì)數(shù)器等。

下圖為另一種單相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的照片，最左邊為電機(jī)整機(jī)，其次為電機(jī)線圈，再次為定子鐵心，最后是永磁轉(zhuǎn)子。

此種單相步進(jìn)電機(jī)原理如上圖中所示，氣隙磁導(dǎo)發(fā)生變化，與只是磁導(dǎo)變化的結(jié)構(gòu)不同，旋轉(zhuǎn)方向依然是由不對(duì)稱的定子磁極決定的。此定子為一個(gè)中間開直角三角形孔的磁極板，其斜線部分的磁導(dǎo)最大。轉(zhuǎn)子磁極正對(duì)斜面時(shí)磁導(dǎo)最大，其為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向，其運(yùn)行原理與上面的原理圖是相同。

轉(zhuǎn)子為圓柱形永磁磁極，極數(shù)為4極，將Nr=2，P=1帶入式θs=180°/PNr，故步距角為θs=90°。

定子為一個(gè)圓形線圈，用正/負(fù)電流驅(qū)動(dòng)。定子磁極通過氣隙與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相同的極數(shù)（4極）。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一個(gè)有三角形孔的磁極，可近似看成4極。此電機(jī)用于水表的流量計(jì)等。

下圖是另外一種單相步進(jìn)電機(jī)的外觀照片。此單相步進(jìn)電機(jī)由照片看出，定子磁極的前端朝同一方向傾斜，從而改變轉(zhuǎn)子磁路的磁導(dǎo)，使轉(zhuǎn)子能沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，其功能與上圖（單相步進(jìn)電機(jī)外觀與結(jié)構(gòu)）的定子相同。

此種單相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁磁極，其圓周上有N和S極共30個(gè)，定子為單相，總磁極數(shù)為30,用氣隙作轉(zhuǎn)子導(dǎo)向。繞于一個(gè)線圈架上的環(huán)形線圈經(jīng)過正負(fù)電流，由式θs=180°/PNr得步距角θs=12°(Nr=15，P=1)，并按一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。其響應(yīng)速度因?yàn)閱蜗嗬@組的關(guān)系，只有幾十pps。此種電機(jī)實(shí)際用于建筑機(jī)械的時(shí)針等。

以上所述的單相步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向由磁導(dǎo)的偏差大小決定。其他還有將定子磁極分極、嵌入銅質(zhì)的短路線圈等，在本學(xué)習(xí)課程中就不再詳述了。

兩相步進(jìn)電機(jī)

兩相步進(jìn)電機(jī)最簡(jiǎn)單的構(gòu)成為Nr=1的情況，電機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖所示。一般兩相電機(jī)定子磁極數(shù)為4的倍數(shù)，至少是4。轉(zhuǎn)子為N極與S 極各一個(gè)的兩極轉(zhuǎn)子。

定子一般用硅鋼片疊壓制作，定子磁極數(shù)為4極，相當(dāng)于一相繞組占兩個(gè)極，A相兩個(gè)極在空間相差180°，B相兩個(gè)極在空間也相差180°。電流在一相繞組內(nèi)正負(fù)流動(dòng)（此種驅(qū)動(dòng)方式稱為雙極性驅(qū)動(dòng)），A相與B相電流的相位相差90°，兩相繞組中矩形波電流交替流過。

即兩相電機(jī)的定子，在Nr=1時(shí)，空間相差90°,時(shí)間上電流相差90°相位差，電流與普通的同步電機(jī)相似，在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子被旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)吸引，隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。

上圖表示兩相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)（PM型）及其運(yùn)行原理，從圖(a)到圖(b)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，依次圖(c)、(d)均旋轉(zhuǎn)90°，依次不斷運(yùn)轉(zhuǎn)成為連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

以上圖為例，假如A相有兩個(gè)線圈，單向電流交替流過兩個(gè)線圈，也可產(chǎn)生相反的磁通方向，此方式稱為單極（uni-plar)型線圈。

如下圖所示線圈內(nèi)部只流過單方向電流，此線圈稱為單極型線圈；另一種，線圈內(nèi)流過正、反方向電流的線圈稱為雙極型線圈，兩種線圈的優(yōu)缺點(diǎn)將在后面的課程中詳細(xì)介紹。單極型線圈可以取代上圖所示雙極型線圈，運(yùn)行時(shí)具有相同的步距角。

上圖中的兩相單極型線圈在有些文獻(xiàn)中也被稱為四相步進(jìn)電機(jī)，此時(shí)其轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)、齒數(shù)Nr，以及步距角θs均與雙極型線圈相同。本課程兩相電機(jī)的定義符合式θs=180°/PNr，即將轉(zhuǎn)子齒數(shù)和步距角θs代入式θs=180°/PNr，如P=2，則為兩相電機(jī)，如Nr相同，P=4，步距角θs只有1/2，則電機(jī)為四相電機(jī)，在此特別提請(qǐng)注意。

兩相步進(jìn)電機(jī)現(xiàn)在應(yīng)用廣泛，實(shí)際電機(jī)的構(gòu)造比圖（PM雙極型兩相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理）復(fù)雜，定子除采用疊片外，還有爪極結(jié)構(gòu)，但基本原理可參考圖（PM雙極型兩相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理），圖中所示的轉(zhuǎn)子被稱為PM型(永久磁鐵或永磁式）轉(zhuǎn)子，磁性圓柱的外表面形成轉(zhuǎn)子磁極。

三相步進(jìn)電機(jī)

轉(zhuǎn)子不采用永久磁鐵的步進(jìn)電機(jī)（VR型或反應(yīng)式或變磁阻式）很早就在三相步進(jìn)電機(jī)上得到應(yīng)用。1986年日本伺服公司開發(fā)了轉(zhuǎn)子為永久磁鐵、定子磁極帶有齒的步進(jìn)電機(jī)(在后面會(huì)詳細(xì)介紹磁極齒的設(shè)計(jì)原理），定、轉(zhuǎn)子齒距的配合，可以得到更高的角分辨率和轉(zhuǎn)矩。三相步進(jìn)電機(jī)定子線圈的主極數(shù)為三的倍數(shù)，故三相步進(jìn)電機(jī)的定子主極數(shù)為3、6、9、12 等。

轉(zhuǎn)子不采用永久磁鐵的步進(jìn)電機(jī)(VR型或反應(yīng)式或變磁阻式）很早就在三相步進(jìn)電機(jī)上得到應(yīng)用。1986年日本伺服公司開發(fā)了轉(zhuǎn)子為永久磁鐵、定子磁極帶有齒的步進(jìn)電機(jī)(在后面會(huì)詳細(xì)介紹磁極齒的設(shè)計(jì)原理），定、轉(zhuǎn)子齒距的配合，可以得到更高的角分辨率和轉(zhuǎn)矩。三相步進(jìn)電機(jī)定子線圈的主極數(shù)為三的倍數(shù)，故三相步進(jìn)電機(jī)的定子主極數(shù)為3、6、9、12 等。

下圖為不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)典型定子結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路的比較，其中忽略了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)轉(zhuǎn)子均為PM型或HB型，并且依據(jù)定子為兩相、三相、五相等配備相應(yīng)的轉(zhuǎn)子。定子采用不產(chǎn)生不平衡電磁力（在后面會(huì)詳細(xì)介紹，轉(zhuǎn)子徑向吸引力的和不能完全互相抵消，產(chǎn)生剩余徑向力）的最小主極數(shù)結(jié)構(gòu)，即兩相為4個(gè)主極、三相為3個(gè)主極、五相為5個(gè)主極時(shí)，結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生不平衡電磁力，除特殊用途外不會(huì)使用上述結(jié)構(gòu)。圖中，定子的結(jié)構(gòu)為兩相為8個(gè)主極、三相為6個(gè)主極、五相為10個(gè)主極，為最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。

另一方面，如雙極型（Bi-polar)線圈所使用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其功率管數(shù)，兩相為8個(gè)、五相為10個(gè)，三相則由于繞組采用Y或△接法的關(guān)系，3個(gè)出線口的驅(qū)動(dòng)只用6個(gè)功率管就夠了，所以從電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器一體考慮，三相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，其兩者的制造成本最低。

從定子相數(shù)的奇偶數(shù)來看，奇數(shù)情況下驅(qū)動(dòng)電路中切換功率管的數(shù)量要比偶數(shù)情況下少，例如三相步進(jìn)電機(jī)要比兩相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率管數(shù)少。三相的驅(qū)動(dòng)IC現(xiàn)在三權(quán)電氣公司、三洋電機(jī)公司、新電元工業(yè)公司等生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)有售。三相步進(jìn)電機(jī)與兩相步進(jìn)電機(jī)比較，在相同的轉(zhuǎn)子齒數(shù)時(shí)，具有提高1.5倍分辨率、振動(dòng)低等優(yōu)點(diǎn)，所以使用數(shù)量會(huì)增加，價(jià)格會(huì)降低，希望其能成為一款系列化步進(jìn)電機(jī)，其性能將在后面詳細(xì)介紹。

有關(guān)三相永磁式步進(jìn)電機(jī)，除本課程外，以前還沒有系統(tǒng)介紹的文獻(xiàn)， 本課程將詳細(xì)介紹三相HB型步進(jìn)電機(jī)（42mm及60mm)，其驅(qū)動(dòng)器的外形如下圖所示。

四相步進(jìn)電機(jī)

例如Nr=50，θs=0.9°的步進(jìn)電機(jī)，按式θs=180°/PNr計(jì)算，則P=4，即為四相步進(jìn)電機(jī)。這里需要注意的是上文兩相步進(jìn)電機(jī)中圖所述的的兩相單極線圈雖然有四個(gè)線圈，但不是四相電機(jī)。

四相步進(jìn)電機(jī)因其為偶數(shù)相，驅(qū)動(dòng)電路的功率管要用16個(gè)，定子的主極個(gè)數(shù)也為16個(gè)，均為兩相步進(jìn)電機(jī)的兩倍，所以造成其驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，因此只有特殊用途才使用。

五相步進(jìn)電機(jī)

現(xiàn)在市面上銷售的步進(jìn)電機(jī)中，相數(shù)最多的電機(jī)為五相。如圖（相熟與驅(qū)動(dòng)電路）所示，定子主極數(shù)為10個(gè)，同一相繞組分別繞在相差180°的2個(gè)主極上，同時(shí)通電產(chǎn)生磁場(chǎng)。各相繞組之間首尾相連，從五個(gè)接點(diǎn)引出電源線。 通常為5個(gè)繞組同時(shí)通電，形成一條支路是1個(gè)繞組，另一條支路為4個(gè)繞組串聯(lián)的并聯(lián)通電模式；順次切換1個(gè)繞組通電支路的相，就能使轉(zhuǎn)子一步步旋轉(zhuǎn)。所得步距角如下所述。

依據(jù)式θs=180°/PNr，Nr=50時(shí)，對(duì)兩相、三相、四相、五相電機(jī)而言，P=2、P=3、P=4、P=5代入式中，得到步距角為：兩相為1.8°，三相為1.2°，四相為0.9°，五相為0.72°。五相步進(jìn)電機(jī)的分辨率是最高的，而且定位轉(zhuǎn)矩小。定子結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)電路比四相步進(jìn)電機(jī)要簡(jiǎn)單，但比兩相和三相步進(jìn)電機(jī)要復(fù)雜，成本也高。

相數(shù)與特性

現(xiàn)以兩相與三相步進(jìn)電機(jī)為例詳細(xì)說明步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)與特性的關(guān)系。相數(shù)與特性綜合概述為：

高分辨率

根據(jù)式θs=180°/PNr，步距角為180/PNr，故相數(shù)P越大，角分辨率越高。提高分辨率，可以提高定位控制精度，改善低速失步，使多相控制成為可能，并且可以改善阻尼（改善制動(dòng)性能，減小停止時(shí)的超調(diào)量和制動(dòng)時(shí)間）。詳細(xì)說明在驅(qū)動(dòng)技術(shù)部分。

低振動(dòng)

如下圖，表示的是兩相和三相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，相數(shù)愈多，換相的兩相繞組動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線的交點(diǎn)轉(zhuǎn)矩值Tg與最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Th的相對(duì)誤差愈小。Tg為電機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩的下限值，（T_h— T_g）/T_h為轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的相對(duì)誤差，相數(shù)越多，此值越小，對(duì)降低振動(dòng)越有利。亦即，相數(shù)越多，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值越小，頻率越高，產(chǎn)生的振動(dòng)越�。ㄓ嘘P(guān)說明在后面章節(jié)）。

高轉(zhuǎn)速

多相步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能高速響應(yīng)。步進(jìn)電機(jī)為同步電機(jī)，繞組電流頻率與轉(zhuǎn)子速度成正比例，若電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，則繞組電流角頻率ω增加，使繞組電感L產(chǎn)生的電抗ω_L加大，從而降低電流，致使轉(zhuǎn)矩下降。

當(dāng)用數(shù)千pps驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)，電機(jī)繞組阻抗Z與直流電阻相比，電抗ω_L將大幅增加。當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如電壓V一定，則電機(jī)相電流為V/ω_L。機(jī)械角速度ω_m為ω=Nrω_m，則對(duì)相同機(jī)械角速度的電機(jī)，電流與Nr成反比。

根據(jù)式θs=180°/PNr，兩相Nr=50時(shí)，步距角為1.8°；五相Nr=20時(shí)，步距角為1.8°。當(dāng)這兩種步進(jìn)電機(jī)以相同的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，五相繞組的電流是兩相的2.5倍，因?yàn)殡娏餍�則轉(zhuǎn)矩小，所以五相的轉(zhuǎn)矩比兩相的要大。