步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電動機(jī)，每當(dāng)一個電脈沖加到步進(jìn)電動機(jī)的控制繞組上時，它的軸就轉(zhuǎn)動一定的角度，角位移量與電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，又稱為脈沖電動機(jī)。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動機(jī)常用作執(zhí)行元件。
步進(jìn)電動機(jī)按照勵磁方式分為磁阻式（又稱為反應(yīng)式）、永磁式和混磁式三種；按相數(shù)分為單相、兩相、三相和多相等形式。下面以三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)為例，介紹步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。
一、模型結(jié)構(gòu)示意圖
三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)模型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4－12所示。它的定、轉(zhuǎn)子鐵心都由硅鋼片疊壓而成。定子上有六個磁極，每兩個相對的磁極上有同一相控制繞組，同一相控制繞組可以并聯(lián)或串聯(lián)；轉(zhuǎn)子鐵心上沒有繞組，只有四個齒，齒寬等于極靴寬。
圖4－12 三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)模型的結(jié)構(gòu)示意圖
二、工作原理
三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理圖如圖4－13所示。當(dāng)U相控制繞組通電，V、W兩相控制繞組不通電時，由于磁力線總是通過磁阻最小的路徑閉合，轉(zhuǎn)子將受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子齒1和3與定子U相磁級軸線對齊，如圖4－13a所示。此時磁力線所通過的磁路磁阻最小，磁導(dǎo)最大，轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切向力作用，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)V相控制繞組通電，U、W兩相控制繞組不通電時，與V相磁極最近的轉(zhuǎn)子齒2和4會旋轉(zhuǎn)到與V相磁極相對，轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過30º，如圖4－13b所示。當(dāng)W相控制繞組通電，U、V兩相控制繞組不通電，與W相磁極最近的轉(zhuǎn)子齒1和3會旋轉(zhuǎn)到與W相磁極相對，轉(zhuǎn)子再次順時針轉(zhuǎn)過30º，如圖4－13c所示。這樣按U－V－W－U的順序輪流給各相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子就會在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下按順時針方向一步一步的轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于繞組變換通電狀態(tài)的頻率，即輸入脈沖的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序，若通電順序為U－W－V－U，則步進(jìn)電動機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。
控制繞組從一種通電狀態(tài)變換到另一種通電狀態(tài)叫做“一拍”，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角θb。
圖4－13 三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)模型單三拍控制時的工作原理
上面的通電方式的特點是，每次只有一相控制繞組通電，切換三次為一個循環(huán)，稱為三相單三拍控制方式。三相單三拍控制方式由于每次只有一相通電，轉(zhuǎn)子在平衡位置附近來回擺動，運行不穩(wěn)定，很少采用。三相步進(jìn)電動機(jī)除了單三相控制方式外，還有三相雙三拍控制方式和三相單、雙六拍控制方式。
三相雙三拍控制的通電順序為UV－VW－WU－UV，每次有兩相繞組同時通電，每一循環(huán)也需要切換三次，步距角與三相單三拍控制方式相同，也為30º。
三相單、雙六拍控制方式的通電順序為U－UV－V－VW－W－WU－U，首先U相通電，然后U、V兩相同時通電，再斷開U相使V相單獨通電，再使V、W兩相同時通電，等等，依此順序不斷輪流通電，完成一次循環(huán)需要六拍。三相六拍控制方式的步距角只有三相單三拍和雙三拍的一半，為15º。
三相雙三拍控制方式和三相六拍控制方式在切換過程中始終保證有一相持續(xù)通電，力圖使轉(zhuǎn)子保持原有位置，工作比較平穩(wěn)。單三拍通電方式?jīng)]有這種作用，在切換瞬間，轉(zhuǎn)子失去自鎖能力，容易失步（即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動步數(shù)與拍數(shù)不相等），在平衡位置也容易產(chǎn)生振蕩。
設(shè)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Zr，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距需要的拍數(shù)為N，則步距角為
可見，磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)，與電壓和負(fù)載等因素?zé)o關(guān)。在轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定時，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比，與拍數(shù)成反比。
三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)模型的步距角太大，難于滿足生產(chǎn)中小位移量的要求，為了減小步距角，實際中將轉(zhuǎn)子和定子磁極都加工成多齒結(jié)構(gòu)。
圖4－14是三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Zr＝40個，齒沿轉(zhuǎn)子圓周均勻分布，齒和槽的寬度相等，齒間夾角為9º；定子上有六個磁極，每極的極靴上均勻分布有五個齒，齒寬和槽寬相等，齒間夾角也是9º。磁極上裝有控制繞組,相對的兩個極的繞組串聯(lián)起來并且連接成三相星形。每個定子磁極的極距為60º，每個極距所占的齒距數(shù)不是整數(shù)，當(dāng)U－U′相繞組通電，U－U′相磁極下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，V－V′磁極和W－W′磁極下的齒就無法對齊，依次錯開1/3齒距角（即錯開3º）。一般的，m相異步電動機(jī)，依次錯開的距離為1/m齒距。
如果采用三相單三拍通電方式進(jìn)行控制，當(dāng)U相通電時，U磁極的定子齒和轉(zhuǎn)子齒完全對齊，而V磁極和W磁極下的定子齒和轉(zhuǎn)子齒無法對齊，依次錯開1/3和2/3齒距（即3º和6º）；當(dāng)U相斷電，V相
圖4－14 小步距角的三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
通電時，V磁極下的定子齒和轉(zhuǎn)子齒就會完全對齊，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/3齒距；同樣的，當(dāng)V相斷電，W相通電時，轉(zhuǎn)子會再次轉(zhuǎn)過1/3齒距。不難看出，通電方式循環(huán)改變一輪后，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距。
圖4－14所示的步進(jìn)電動機(jī)的齒距角為9º，采用三相單三拍通電時，通電方式循環(huán)一輪需要三拍，則步距角θb為3º，我們也可由步距角計算公式計算得出步距角為
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距所需的運行拍數(shù)取決于電機(jī)的相數(shù)和通電方式，增加相數(shù)也可以減小步距角。但相數(shù)增多，所需驅(qū)動電路就越復(fù)雜。常用的步進(jìn)電動機(jī)除了三相以外，還有四相、五相和六相的步進(jìn)電動機(jī)。
三、主要技術(shù)指標(biāo)和運行特性
1．步距角和靜態(tài)步距誤差
步距角也稱為步距，是指步進(jìn)電動機(jī)改變一次通電方式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。步距角與定子繞組的相數(shù)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)和通電方式有關(guān)。目前我國步進(jìn)電動機(jī)的步距角為0.36º～90º，常用的有7.5º/15º、3º/6º、1.5º/3º、0.9º/1.8º、0.75º/1.5º、0.6º/1.2º、0.36º/0.72º等幾種。
2．最大靜轉(zhuǎn)矩
步進(jìn)電動機(jī)的靜特性，是指步進(jìn)電動機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)（即步進(jìn)電動機(jī)處于通電狀態(tài)不變，轉(zhuǎn)子保持不動的定位狀態(tài)）時的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩、矩角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩。在穩(wěn)定狀態(tài)下，如果在轉(zhuǎn)子軸上加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度θ，并能穩(wěn)定下來，這時轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，該電磁轉(zhuǎn)矩即為靜轉(zhuǎn)矩，而角度θ即為失調(diào)角。對應(yīng)于某個失調(diào)角時，靜轉(zhuǎn)矩最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。
3．矩頻特性
當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)的控制繞組的電脈沖時間間隔大于電機(jī)機(jī)電過渡過程所需的時間，步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)入連續(xù)運行狀態(tài)，這時電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和脈沖頻率的關(guān)系稱為矩頻特性。步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的升高而降低。
4．起動頻率和連續(xù)運行頻率
步進(jìn)電動機(jī)的工作頻率，一般包括起動頻率、制動頻率和連續(xù)運行頻率。對同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)矩來說，正、反向的起動頻率和制動頻率是一樣的，所以一般技術(shù)數(shù)據(jù)中只給出起動頻率和連續(xù)運行頻率。
步進(jìn)電動機(jī)起動頻率fst是指在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步起動的最高脈沖頻率。fst的大小與驅(qū)動電路和負(fù)載大小有關(guān)。步距角θb越小，負(fù)載越小，則起動頻率越高。
步進(jìn)電動機(jī)連續(xù)運行頻率f是指步進(jìn)電動機(jī)起動后，當(dāng)控制脈沖連續(xù)上升時，能不失步運行的最高頻率，負(fù)載越小，連續(xù)運行頻率越高。在帶動相同負(fù)載時，步進(jìn)電動機(jī)的連續(xù)運行頻率比起動頻率高得多。