當步進電機切換一次定子繞組的激磁電流時，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個固定角度即步距角。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)。步進電機通常都為兩相以上的，當然也有一些特殊的只有一個線圈的單相步進電機。雖說單相，實為一個線圈產(chǎn)生的磁通方向交互反轉(zhuǎn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。實用的步進電機的相數(shù)有單相、兩相、三相、四相、五相。

現(xiàn)在使用的步進電機大部分用永磁轉(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。以下以介紹永磁轉(zhuǎn)子為主。

決定步距角的因素

步進電機分辨率（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，為簡化講解，假設(shè)極對數(shù)為1。此處確定轉(zhuǎn)子為永久磁鐵的步進電機的步距角θs由下式表示，其中Nr為轉(zhuǎn)子極對數(shù)，P為定子相數(shù)，（本課后面敘述的HB型步進電機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)一周的機械角度為360。,如用極數(shù)2Nr去除，相當于一個極所占的機械角度即180°/Nr。這就是說，一個極的機械角度用定子相數(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，因此要提高步進電機的分辨率，就要增加轉(zhuǎn)子極對數(shù)或采用定子相數(shù)P較多的多相式方法。而Nr的增加受到機械加工的限制，所以要制造高分辨率的步進電機需要兩種方法并用才行。

單相步進電機

單相步進電機是在一個線圈骨架上纏繞環(huán)形線圈，給它通以正負交變的電流，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)動方向，故單相步進電機只能按一個方向運動。為使轉(zhuǎn)動方向確定，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)動方向為磁阻小的方向。下圖為單相步進電機的轉(zhuǎn)動原理。

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。當定子電流由正變負時，在切換過程中，電流接近于零，定子對轉(zhuǎn)子的吸引力接近零，此時轉(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，沿箭頭方向運動到轉(zhuǎn)子磁極軸線（N和S極的中心線）正對氣隙最小處停止。當定子繞組為負電流時，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，沿箭頭方向運動，直到定轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時轉(zhuǎn)子停止運動。加在繞組上的電流再次變換方向由負變正時，電流過零變正，則轉(zhuǎn)子經(jīng)過圖(d)向圖(a)移動，步距角為180°。上述動作反復(fù)進行，電機轉(zhuǎn)子就能繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

從以上單相步進電機的運行原理看出，單相步進電機的電磁轉(zhuǎn)矩只在定子電流變換時產(chǎn)生，故其平均轉(zhuǎn)矩比兩相以上的電機要小得多，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行。例如時鐘、車用計時器（發(fā)動機計時器）、水表計數(shù)器等。

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

此種單相步進電機原理如上圖中所示，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)方向依然是由不對稱的定子磁極決定的。此定子為一個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)子磁極正對斜面時磁導(dǎo)最大，其為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向，其運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°。

定子為一個圓形線圈，用正/負電流驅(qū)動。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)簡單，一個有三角形孔的磁極，可近似看成4極。此電機用于水表的流量計等。

下圖是另外一種單相步進電機的外觀照片。此單相步進電機由照片看出，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)子能沿一個方向旋轉(zhuǎn)，其功能與上圖（單相步進電機外觀與結(jié)構(gòu)）的定子相同。

此種單相步進電機轉(zhuǎn)子為永磁磁極，其圓周上有N和S極共30個，定子為單相，總磁極數(shù)為30,用氣隙作轉(zhuǎn)子導(dǎo)向。繞于一個線圈架上的環(huán)形線圈經(jīng)過正負電流，由式θs=180°/PNr得步距角θs=12°(Nr=15，P=1)，并按一個方向運動。其響應(yīng)速度因為單相繞組的關(guān)系，只有幾十pps。此種電機實際用于建筑機械的時針等。

以上所述的單相步進電機的旋轉(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。

兩相步進電機

兩相步進電機最簡單的構(gòu)成為Nr=1的情況，電機結(jié)構(gòu)如下圖所示。一般兩相電機定子磁極數(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，相當于一相繞組占兩個極，A相兩個極在空間相差180°，B相兩個極在空間也相差180°。電流在一相繞組內(nèi)正負流動（此種驅(qū)動方式稱為雙極性驅(qū)動），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。

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

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

以上圖為例，假如A相有兩個線圈，單向電流交替流過兩個線圈，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)缺點將在后面的課程中詳細介紹。單極型線圈可以取代上圖所示雙極型線圈，運行時具有相同的步距角。

上圖中的兩相單極型線圈在有些文獻中也被稱為四相步進電機，此時其轉(zhuǎn)子極對數(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，如Nr相同，P=4，步距角θs只有1/2，則電機為四相電機，在此特別提請注意。

兩相步進電機現(xiàn)在應(yīng)用廣泛，實際電機的構(gòu)造比圖（PM雙極型兩相步進電機結(jié)構(gòu)與運行原理）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雙極型兩相步進電機結(jié)構(gòu)與運行原理），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。

三相步進電機

轉(zhuǎn)子不采用永久磁鐵的步進電機（VR型或反應(yīng)式或變磁阻式）很早就在三相步進電機上得到應(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電機(在后面會詳細介紹磁極齒的設(shè)計原理），定、轉(zhuǎn)子齒距的配合，可以得到更高的角分辨率和轉(zhuǎn)矩。三相步進電機定子線圈的主極數(shù)為三的倍數(shù)，故三相步進電機的定子主極數(shù)為3、6、9、12 等。

轉(zhuǎn)子不采用永久磁鐵的步進電機(VR型或反應(yīng)式或變磁阻式）很早就在三相步進電機上得到應(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電機(在后面會詳細介紹磁極齒的設(shè)計原理），定、轉(zhuǎn)子齒距的配合，可以得到更高的角分辨率和轉(zhuǎn)矩。三相步進電機定子線圈的主極數(shù)為三的倍數(shù)，故三相步進電機的定子主極數(shù)為3、6、9、12 等。

下圖為不同相數(shù)的步進電機典型定子結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電路的比較，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（在后面會詳細介紹，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個主極、三相為3個主極、五相為5個主極時，結(jié)構(gòu)上會產(chǎn)生不平衡電磁力，除特殊用途外不會使用上述結(jié)構(gòu)。圖中，定子的結(jié)構(gòu)為兩相為8個主極、三相為6個主極、五相為10個主極，為最簡單的結(jié)構(gòu)。

另一方面，如雙極型（Bi-polar)線圈所使用的步進電機驅(qū)動電路，其功率管數(shù)，兩相為8個、五相為10個，三相則由于繞組采用Y或△接法的關(guān)系，3個出線口的驅(qū)動只用6個功率管就夠了，所以從電機和驅(qū)動器一體考慮，三相步進電機結(jié)構(gòu)最簡單，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，例如三相步進電機要比兩相步進電機的驅(qū)動功率管數(shù)少。三相的驅(qū)動IC現(xiàn)在三權(quán)電氣公司、三洋電機公司、新電元工業(yè)公司等生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)有售。三相步進電機與兩相步進電機比較，在相同的轉(zhuǎn)子齒數(shù)時，具有提高1.5倍分辨率、振動低等優(yōu)點，所以使用數(shù)量會增加，價格會降低，希望其能成為一款系列化步進電機，其性能將在后面詳細介紹。

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

四相步進電機

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

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

五相步進電機

現(xiàn)在市面上銷售的步進電機中，相數(shù)最多的電機為五相。如圖（相熟與驅(qū)動電路）所示，定子主極數(shù)為10個，同一相繞組分別繞在相差180°的2個主極上，同時通電產(chǎn)生磁場。各相繞組之間首尾相連，從五個接點引出電源線。 通常為5個繞組同時通電，形成一條支路是1個繞組，另一條支路為4個繞組串聯(lián)的并聯(lián)通電模式；順次切換1個繞組通電支路的相，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，對兩相、三相、四相、五相電機而言，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°。五相步進電機的分辨率是最高的，而且定位轉(zhuǎn)矩小。定子結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動電路比四相步進電機要簡單，但比兩相和三相步進電機要復(fù)雜，成本也高。

相數(shù)與特性

現(xiàn)以兩相與三相步進電機為例詳細說明步進電機的相數(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（改善制動性能，減小停止時的超調(diào)量和制動時間）。詳細說明在驅(qū)動技術(shù)部分。

低振動

如下圖，表示的是兩相和三相步進電機的轉(zhuǎn)矩波動，相數(shù)愈多，換相的兩相繞組動態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線的交點轉(zhuǎn)矩值Tg與最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Th的相對誤差愈小。Tg為電機所帶負載轉(zhuǎn)矩的下限值，（T_h— T_g）/T_h為轉(zhuǎn)矩波動的相對誤差，相數(shù)越多，此值越小，對降低振動越有利。亦即，相數(shù)越多，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動幅值越小，頻率越高，產(chǎn)生的振動越小（有關(guān)說明在后面章節(jié)）。

高轉(zhuǎn)速

多相步進電機的優(yōu)點是能高速響應(yīng)。步進電機為同步電機，繞組電流頻率與轉(zhuǎn)子速度成正比例，若電機高速運轉(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。

當用數(shù)千pps驅(qū)動步進電機時，電機繞組阻抗Z與直流電阻相比，電抗ω_L將大幅增加。當電機高速運轉(zhuǎn)時，如電壓V一定，則電機相電流為V/ω_L。機械角速度ω_m為ω=Nrω_m，則對相同機械角速度的電機，電流與Nr成反比。

根據(jù)式θs=180°/PNr，兩相Nr=50時，步距角為1.8°；五相Nr=20時，步距角為1.8°。當這兩種步進電機以相同的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)時，五相繞組的電流是兩相的2.5倍，因為電流小則轉(zhuǎn)矩小，所以五相的轉(zhuǎn)矩比兩相的要大。