1.2　步进电机的基本结构与工作原理

1.2.1　反应式步进电机

（1）反应式步进电机的基本结构

反应式步进电机是利用反应转矩（磁阻转矩）使转子转动的。因结构不同，又可分为单段式和多段式两种。

①单段式。又称为径向分相式。它是目前步进电机中使用得最多的一种结构形式，如图1-2所示。一般在定子上嵌有几组控制绕组，每组绕组为一相，但至少要有三相以上，否则不能形成启动力矩。定子的磁极数通常为相数m的2倍，每个磁极上都装有控制绕组，绕组形式为集中绕组，在定子磁极的极弧上开有小齿。转子由软磁材料制成，转子沿圆周上也有均匀分布的小齿，它与定子极弧上的小齿有相同的分度数，即称为齿距，且齿形相似。定子磁极的中心线即齿的中心线或槽的中心线。

（A相通电时的位置）

单段式反应式步进电机制造简便，精度易于保证；步距角也可以做得较小，容易得到较高的启动和运行频率。其缺点是，当电机的直径较小，而相数又较多时，沿径向分相较为困难。另外这种电机消耗的功率较大，断电时无定位转矩。

②多段式。又称为轴向分相式。按其磁路的特点不同，又可分为轴向磁路多段式和径向磁路多段式两种。

a.轴向磁路多段式步进电机的结构如图1-3所示。定、转子铁芯沿电机轴向按相数m分段，每一组定子铁芯中放置一环形的控制绕组。定、转子圆周上冲有形状相似、数量相同的小齿。定子铁芯（或转子铁芯）每相邻段错开1/m齿距。

1—线圈；2—定子；3—转子；4—引线

这种步进电机的定子空间利用率较好，环形控制绕组绕制方便。转子的转动惯量低、步距角也可以做得较小，启动和运行频率较高。但是在制造时，铁芯分段和错位工艺较复杂，精度不易保证。

b.径向磁路多段式步进电机的结构如图1-4所示。定、转子铁芯沿电机轴向按相数m分段，每段定子铁芯的磁极上均放置同一相控制绕组。定子铁芯（或转子铁芯）每相邻两段错开1/m齿距，对每一段铁芯来说，定、转子上的磁极分布情况相同。也可以在一段铁芯上放置两相或三相控制绕组，相当于单段式电机的组合。定子铁芯（或转子铁芯）每相邻两段则应错开相应的齿距。

1—线圈；2—定子；3—转子

这种步进电机的步距角可以做得较小，启动和运行频率较高，对于相数多且直径和长度又有限制的反应式步进电机来说，在磁极布置上要比以上两种灵活，但是铁芯的错位工艺比较复杂。

（2）反应式步进电机的工作原理

图1-5所示为一台最简单的三相反应式步进电机的工作原理图。它的定子上有6个极，每个极上都装有控制绕组，每两个相对的极组成一相。转子是4个均匀分布的齿，上面没有绕组。反应式步进电机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩（或磁阻转矩）而转动的，所以也称为磁阻式步进电机。下面分别介绍不同通电方式时，反应式步进电机的工作原理。

1～4—转子齿

①三相单三拍通电方式。反应式步进电机采用三相单三拍通电方式运行，其工作原理如图1-5所示，当A相控制绕组通电时，气隙磁场轴线与A相绕组轴线重合，因磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，所以在磁力的作用下，将使转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐，如图1-5（a）所示。同样道理，当A相断电、B相通电时，转子便按逆时针方向转过30°角度，使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐，如图1-5（b）所示。如再使B相断电、C相通电时，则转子又将在空间转过30°，使转子齿1和3的轴线与定子C极轴线对齐，如图1-5（c）所示。如此循环往复，并按A→B→C→A的顺序通电，步进电机便按一定的方向一步一步地连续转动。步进电机的转速直接取决于控制绕组与电源接通或断开的变化频率。若按A→C→B→A的顺序通电，则步进电机将反向转动。

步进电机的定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时步进电机转子所转过的空间角度称为步距角θs。上述通电方式，称为三相单三拍运行。“三相”即三相步进电机，具有三相定子绕组；“单”是指每次通电时，只有一相控制绕组通电；“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环，第四次换接重复第一次的情况。很显然，在这种通电方式时，三相反应式步进电机的步距角θs应为30°。

三相单三拍运行时，步进电机的控制绕组在断电、通电的间断期间，转子磁极因“失磁”而不能保持自行“锁定”的平衡位置，即失去了“自锁”能力，易出现失步现象；另外，由一相控制绕组断电至另一相控制绕组通电，转子则经历启动加速、减速至新的平衡位置的过程，转子在达到新的平衡位置时，会由于惯性而在平衡点附近产生振荡现象，故运行的稳定性差。因此，常采用双三拍或单、双六拍的控制方式。

②三相双三拍通电方式。反应式步进电机采用三相双三拍通电方式运行，其工作原理如图1-6所示，其控制绕组按AB→BC→CA→AB顺序通电，或按AB→CA→BC→AB顺序通电，即每拍同时有两相绕组同时通电，三拍为一个循环。当A、B两相控制绕组通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有当A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡时，才是转子的平衡位置，如图1-6（a）所示。若下一拍为B、C两相同时通电时，则转子按逆时针方向转过30°。到达新的平衡位置，如图1-6（b）所示。

1～4—转子齿

由图1-6可知，反应式步进电机采用三相双三拍通电方式运行时，其步距角仍是30°。但是三相双三拍运行时，每一拍总有一相绕组持续通电，例如由A、B两相通电变为B、C两相通电时，B相始终保持持续通电状态，C相磁拉力试图使转子逆时针方向转动，而B相磁拉力却起阻止转子继续向前转动的作用，即起到了一定的电阻尼作用，所以步进电机工作比较平稳。而在三相单三拍运行时，由于没有这种阻尼作用，所以转子达到新的平衡位置容易产生振荡，稳定性不如三相双三拍运行方式。

③三相单、双六拍通电方式。反应式步进电机，采用三相单、双六拍通电方式运行的工作原理如图1-7所示，其控制绕组按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电，或按A→AC→C→CB→B→BA→A顺序通电，也就是说，先A相控制绕组通电；以后再A、B相控制绕组同时通电；然后断开A相控制绕组，由B相控制绕组单独接通；再同时使B、C相控制绕组同时通电，依此进行。其特点是三相控制绕组需经6次切换才能完成一个循环，故称为“六拍”，而且通电时，有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此称为“单、双六拍”。

由图1-7可知，反应式步进电机采用三相单、双六拍通电方式运行时，步距角也有所不同。当A相控制绕组通电时，与三相单三拍运行的情况相同，转子齿1、3和定子极A、A'轴线对齐，如图1-7（a）所示。当A、B相控制绕组同时通电时，转子齿2、4在定子极B、B'的吸引下是转子沿逆时针方向转动，直至转子齿1、3和定子极A、A'之间的作用力与转子齿2、4和定子极B、B'之间的作用力相平衡为止，如图1-7（b）所示。当断开A相控制绕组，而由B相控制绕组通电时，转子将继续沿逆时针方向转过一个角度，使转子齿2、4和定子极B、B'对齐，如图1-7（c）所示。若继续按BC→C→CA→A的顺序通电，步进电机就按逆时针方向连续转动。如果通电顺序变为A→AC→C→CB→B→BA→A时，步进电机将按顺时针方向转动。

1～4—转子齿

在三相单三拍通电方式中，步进电机每一拍转子转过的步距角θs为30°。采用三相单、双六拍通电方式后，步进电机由A相控制绕组单独通电到B相控制绕组单独通电，中间还要经过A、B两相同时通电这个状态，也就是说要经过二拍转子才转过30°，所以，在这种通电方式下，三相步进电机的步距角，即单、双六拍运行时的步距角比三拍通电方式时减小一半。

由以上分析可见，同一台步进电机采用不同的通电方式，可以有不同的拍数，对应的步距角也不同。

此外，六拍运行方式每一拍也总有一相控制绕组持续通电，也具有电磁阻尼作用步进电机工作也比较平稳。

上述这种简单结构的反应式步进电机的步距角较大，如在数控机床中应用就会影响到加工工件的精度。图1-2中所示的结构是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电机。它的定子上有6个极，分别绕有A-A'、B-B'、C-C'三相控制绕组。转子上均匀分布40个齿。定子每个极上有5个齿。定、转子的齿宽和齿距都相同。当A相控制绕组通电时，转子受到反应转矩的作用，使转子齿的轴线和定子A、A'极下齿的轴线对齐。因为转子上共有40个齿，其每个齿的齿距角为，而定子磁极的极距为，定子每个极距所占的转子齿数为，不是整数。同理，定子一个极距所占的齿距数也不是整数，如图1-8所示。由于相邻磁极间的转子齿不是整数，因此，当定子A极面下的定、转子齿对齐时，定子B'极和C'极面下的齿就分别和转子齿依次有1/3齿距的错位，即3°。同样，当A相控制绕组断电，B相控制绕组通电时，这时步进电机中产生沿B极轴线方向的磁场，在反应转矩的作用下，转子按顺时针方向转过3°。使转子齿的轴线和定子B'极面下齿的轴线对齐，这时，定子A极和C极面下的齿又分别和转子齿依次错开1/3齿距。依此类推，若控制绕组持续按A→B→C→A顺序循环通电，转子就沿顺时针方向一步一步地转动，每拍转过3°，即步距角为3°。若改变通电顺序，即按A→C→B→A顺序循环通电，转子便沿逆时针方向同样以每拍转过3°的方式转动。此时为单三拍通电方式运行。若采用三相单、双六拍的通电方式运行时，即按与前面分析的A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电，同样步距角也要减少一半，即每拍转子仅转过1.5°。

（A相绕组通电时）

通过以上的分析可知，为了能实现“自动错位”，反应式步进电机的转子齿数Zr不能任意选取，而应满足一定的条件。因为在同一相的几个磁极下，定、转子齿应同时对齐或同时错开，才能使同一相的几个磁极的作用相加，产生足够的反应转矩，而定子圆周上属于同一相的极总是成对出现的，所以转子齿数应是偶数。另外，在定子的相邻磁极下，定、转子齿之间应错开转子齿距的倍（m为步进电机的相数），即它们之间在空间位置上错开角，这样才能在连续改变通电状态下，获得连续不断的运动。由此可得三相反应式步进电机转子齿数应符合下式条件

式中，2p为反应式步进电机定子极数，即一相控制绕组通电时在电机圆周上形成的磁极数；m为步进电机的相数；K为正整数。

由以上分析可知，反应式步进电机的步距角θs的大小是由转子的齿数Zr、控制绕组的相数m和通电方式所决定的。它们之间存在以下关系

式中，C为状态系数，当采用单三拍和双三拍通电方式运行时，C=1；而采用单、双六拍通电方式运行时，C=2。

如果以N表示步进电机运行的拍数，则转子经过N步，将经过一个齿距。每转一圈（即360°机械角），需要走NZr步，所以步距角又可以表示为

若步进电机通电的脉冲频率为f（拍/s或脉冲数/s），则步进电机的转速n为

式中，f的单位是s-1；n的单位是r/min。

由此可知，反应式步进电机的转速与拍数N、转子齿数Zr及脉冲的频率f有关。相数和转子齿数越多，步距角越小，转速也越低。在同样脉冲频率下，转速越低，其他性能也有所改善，但相数越多，电源越复杂。目前步进电机一般做到六相，个别的也有做成八相或更多相数。

同理，当转子齿数一定时，步进电机的转速与输入脉冲的频率成正比，改变脉冲的频率，可以改变步进电机的转速。

增加转子齿数是减小步进电机步距角的一个有效途径，目前所使用的步进电机转子齿数一般很多。对于相同相数的步进电机，既可以采用单拍或双拍方式，也可以采用单、双拍方式。所以，同一台步进电机可有两种步距角，如3°/1.5°、1.5°/0.75°、1.2°/0.6°等。

1.2.2　永磁式步进电机

（1）永磁式步进电机的基本结构

永磁式步进电机也有多种结构，图1-9是一种典型结构。它的定子为凸极式，定子上有两相或多相绕组，转子为一对或几对极的星形磁钢，转子的极数应与定子每相的极数相同。图中定子为两相集中绕组（AO、BO），每相为两对极，因此转子也是两对极的永磁转子。

（2）永磁式步进电机的工作原理

由图1-9中可以看出，当定子绕组按A→B→（-A）→（-B）→A…的次序轮流通以直流脉冲时（如A相通入正脉冲，则定子上形成上下S、左右N四个磁极），按N、S相吸原理，转子必为上下N、左右S，如图1-9所示。若将A相断开、B相接通，则定子极性将顺时针转过45°，转子也将按顺时针方向转动，每次转过45°空间角度，也就是步距角θs为45°。一般来说，步距角θs的值为

式中，m为相数；p为转子极对数。

上述这种通电方式为两相单四拍。由以上分析可知，永磁式步进电机需要电源供给正、负脉冲，否则不能连续运转。一般永磁式步进电机的驱动电路要做成双极性驱动，这会使电源的线路复杂化。这个问题也可以这样来解决，就是在同一个极上绕两套绕向相反的绕组，这样虽增加了用铜量和电机的尺寸，但简化了对电源的要求，即电源只要供给正脉冲就可以了。

此外，还有两相双四拍通电方式[即AB→B（-A）→（-A）（-B）→（-B）A→AB]和八拍通电方式。

永磁式步进电机的步距角大，启动和运行频率低。但是它消耗的功率比反应式步进电机小，在断电情况下有定位转矩，有较强的内阻尼力矩。

星形磁极的加工工艺比较复杂，如采用图1-10所示的爪形磁极结构，将磁钢做成环形，则可简化加工工艺。这种爪极式永磁步进电机的磁钢为轴向充磁，磁钢两端的两个爪形磁极分别为S和N极性。由于两个爪形磁极是对插在一起的，从转子表面看，沿圆周方向各个极爪是N、S极性交错分布的，极爪的极对数与定子每相绕组的极对数相等。爪极式永磁步进电机的运行原理与星形磁钢结构的相同。

永磁式步进电机具有以下特点。

①大步距角，例如15°、22.5°、30°、45°、90°等。

②启动频率较低，通常为几十到几百赫兹（但是转速不一定低）。

③控制功率小。

④在断电情况下有定位转矩。

⑤有强的内阻尼力矩。

1.2.3　混合式步进电机

混合式步进电机（又称感应子式步进电机）既有反应式步进电机小步距角的特点，又有永磁式步进电机效率高、绕组电感比较小的特点。

（1）两相混合式步进电机的结构

图1-11为混合式步进电机的轴向剖视图。它的定子铁芯与单段反应式步进电机基本相同，即沿着圆周有若干凸出的磁极，每个磁极的极面上有小齿，机身上有控制绕组；定子控制绕组与永磁式步进电机基本相同，也是两相集中绕组，每相为两对极，控制绕组的接线如图1-12所示。

转子中间为轴向磁化的环形永久磁铁，磁铁两端各套有一段转子铁芯，转子铁芯由整块钢加工或用硅钢片叠成，两段转子铁芯上沿外圆周开有小齿，其齿距与定子小齿齿距相同，两端的转子铁芯上的小齿彼此错过1/2齿距，如图1-13所示。定、转子齿数的配合与单段反应式步进电机相同。

图1-13（a）所示的S极铁芯段截面图即为图1-11中的Ⅰ—Ⅰ截面；图1-13（b）所示的N极铁芯段截面图即为图1-11中的Ⅱ—Ⅱ截面。在图1-13（a）所示的S极铁芯段截面图中，当磁极1下是齿对齿时，磁极5下也是齿对齿，气隙磁阻最小；磁极3和磁极7下是齿对槽，气隙磁阻最大。

此时，在图1-13（b）所示的N极铁芯段截面图中，磁极1'和磁极5'下，正好是齿对槽，磁极3'和磁极7'下，正好是齿对齿。可见，两端的转子铁芯上的小齿彼此错过1/2齿距。

混合式步进电机作用在气隙上的磁动势有两个：一个是由永久磁钢产生的磁动势；另一个是由控制绕组电流产生的磁动势。这两个磁动势有时是相加的，有时是相减的，视控制绕组中的电流方向而定。这种步进电机的特点是混入了永久磁钢的磁动势，故称为混合式步进电机。

（2）两相混合式步进电机的工作原理

转子永久磁铁的一端（如图1-11中Ⅰ—Ⅰ端）为S极，则转子铁芯整个圆周上都呈S极性，如图1-13（a）所示。转子永久磁铁的另一端（如图1-11中Ⅱ—Ⅱ端）为N极，则转子铁芯整个圆周上都呈N极性，如图1-13（b）所示。当定子A相通电时，定子1、3、5、7极上的极性为N、S、N、S，这时转子的稳定平衡位置就是图1-13所示的位置，即定子磁极1和5上的齿与Ⅰ—Ⅰ端上的转子齿对齐，而定子磁极1'和5'上的齿与Ⅱ—Ⅱ端上的转子槽对齐；定子磁极3和7上的齿与Ⅰ—Ⅰ端上的转子槽对齐，而定子磁极3'和7'上的齿与Ⅱ—Ⅱ端上的转子齿对齐。此时，B相4个磁极（2、4、6、8极）上的齿与转子齿都错开1/4齿距。

由于定子同一个极的两端极性相同，转子两端极性相反，但错开半个齿距，所以当转子偏离平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。在同一端，定子第一个极与第三个极的极性相反，转子同一端极性相同，但第一个极和第三个极下定、转子小齿的相对位置错开了半个齿距，所以作用转矩的方向也是一致的。当定子各相绕组按顺序通以正、负电脉冲时，转子每次将转过一个步距角θs，其值为

式中，m为相数；Zr为转子齿数。

这种步进电机也可以做成较小的步距角，因而也有较高的启动和运行频率；消耗的功率也较小；并具有定位转矩，兼有反应式和永磁式步进电机两者的优点。但是它需要有正、负电脉冲供电，并且制造工艺比较复杂。

（3）两相混合式步进电机常用的通电方式

①单四拍通电方式。每次只有一相控制绕组通电，四拍构成一个循环，两相控制绕组按A—B—（-A）-（-B）—A的次序轮流通电。每拍转子转动1/4转子齿距，每转的步数为4Zr。

②双四拍通电方式。每次有两相控制绕组同时通电，四拍构成一个循环，两相控制绕组按AB—B（-A）—（-A）（-B）—（-B）A—AB的次序轮流通电。和单四拍相同，每拍转子转动1/4转子齿距，每转的步数为4Zr。但两者的空间定位不重合。

③单、双八拍通电方式。前面两种通电方式的循环拍数都等于四，称为满步通电方式。若通电循环拍数为八，称为半步通电方式，即按A—AB—B—B（-A）—（-A）—（-A）（-B）—（-B）—（-B）A—A的次序轮流通电，每拍转子转动1/8转子齿距，每转的步数为8Zr。

④细分通电方式。若调整两相绕组中电流分配的比例和方向，使相应的合成转矩在空间可处于任意位置上，则循环拍数可为任意值，称为细分通电方式。实质上就是把步距角减小，如前面八拍通电方式已经将单四拍或双四拍细分了一半。采用细分通电方式可使步进电机的运行更平稳，定位分辨率更高，负载能力也有所增加，并且步进电机可做低速同步运行。