步进电动机是将电脉冲控制信号转换成机械角位移的执行元件。步进电动机每接受一个电脉冲，在驱动电源的作用下，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的控制电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，所以用微机很容易实现步进电动机的开环数字控制。

三相反应式步进电动机的结构原理如图4-22所示。定子和转子都用硅钢片叠成。定子有六个极，其上装有线圈，相对两个极上的线圈串联起来组成三个独立的绕组，称为三相绕组，独立绕组数称为步进电动机的相数。当然，步进电动机还可以做成四、五、六等相数。图中转子有四个极或称四个齿，其上无绕组，本身也无磁性。工作时，驱动电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流加到定子三相绕组上。

按照给电顺序不同，三相反应式步进电动机有以下三种运行方式。

图4-22 步进电动机结构原理图

（1）三相单三拍运行方式 “三相”指三相步进电动机，“单”是指每次只给一相绕组通电，“三拍”指通电三次完成一个通电循环。如图4-23所示，其运行方式是按U _l→V₁→W₁→U _l或相反顺序通电。

1）当U相绕组单独通电时，由于磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，即要建立以U₁、U2为轴线的磁场，因此，在磁力的作用下，如图4-23a所示，转子总是将从前一步位置转到齿1、3与U₁、U₂极对齐的位置。

2）当V相绕组通电时，U、W两相不通电，转子又顺时针方向转过去30°，它的齿2、4和V₁、V₂极对齐，如图4-23b所示。

3）随后W相通电U、V两相不通电，转子又顺时针方向转过30°，它的齿3、1与W_l、W₂极对齐，如图4-23c所示。

不难理解，当脉冲信号一个一个发来，如果按U→V→W→U……的顺序轮流通电，则电动机转子便顺时针方向一步一步地转动。每一步的转角为30°（称为步距角）。如果这样轮流换接三次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角（转子四个齿时，齿距角为90°）。如果按U→W→V→U……的顺序通电，电动机则按逆时针方向转动。

显然，齿距角θ_z和齿数z之间的关系为

图4-23 三相单三拍运行方式

在单三拍运行时，步距角θ_b（或称为每输入一个脉冲时转子转过的角度）却只有齿距角的三分之一，即

单相轮流通电方式的“单”是指每次切换前后只有一组绕组通电，在这种通电方式下，电动机的稳定性较差，容易失步。

（2）三相双三拍运行 如图4-24所示，该运行方式是按UV→VW→WU→UV或相反的顺序通电的，即每次同时给两相绕组通电。由于两相绕组通电，力矩就大些，定位精度高而不易失步。

1）当U、V两相绕组同时通电时，由于U、V两相的磁极对转子齿部都有吸引力，故转子将转到如图4-24a所示位置。

2）当U相绕组断电，V、W两相绕组同时通电时，同理，转子将转到图4-24b所示位置。(www.daowen.com)

3）当V相绕组断电，W、U两相绕组同时通电时，转子将转到图4-24c所示位置。

图4-24 三相双三拍运行

可见，当三相绕组按UV→VW→WU→UV顺序通电时，转子顺时针方向转动。改变通电顺序，使之按UV→WU→VW→UV……顺序通电时，即可改变转子的转向。通电一个循环，磁场在空间旋转了360°，而转子只转了一个齿距角。双三拍运行时，步距角仍等于齿距角的三分之一，即θ_b=30°。

（3）三相单、双六拍运行方式 如图4-25所示，其运行方式是按U→UV→V→VW→W→WU→U或相反的顺序通电的，即需要六拍才完成一个循环。

当U相绕组单独通电时，转子将转到图4-25a所示位置，当U相和V相绕组同时通电时，转子将转到图4-25b所示位置，以后情况依次类推。所以采用这种运行方式时，六拍即完成了一个循环，磁场在空间旋转了360°，转子仍只转一个齿距角，但步距角却因拍数增加了一倍而减少到齿距角的六分之一，即等于15°。

图4-25 三相单、双六拍运行

反应式步进电动机在脉冲信号停止输入时，转子不再受到定子磁场的作用力，转子将因惯性而可能继续转过某一角度，因此必须解决停车时的转子定位问题。反应式步进电动机一般是在最后一个脉冲停止时，在该绕组中继续通以直流电，即采用带电定位的办法。永磁式步进电动机因转子本身有磁性，可以实现自动定位。

由以上的讨论可以看到，无论采用何种运行方式，步距角θ_b与转子齿效z和拍数N之间都存在着如下关系

既然转子每经过一个步距角相当于转了1/（zN）转，若脉冲频率为f，则转子每秒钟就转了f/（zN）转，故转子每分钟的转速为

前面图4-22～图4-26所介绍的步进电动机，由于步距角都太大，不能满足电动机平滑运行的要求。由式（4-26）可知，要想减小步距角，一是增加相数（即增加拍数N），二是增加转子的齿数z。由于相数越多，驱动电源就越复杂，所以较好的解决方法还是增加转子的齿数，步进电动机典型结构如图4-26所示。从图中可以看出，转子的齿数增加了很多（图中为40个齿），定子每个极上也相应地开了几个齿（图中为5个齿）。当U相绕组通电时，U相绕组下的定、转子齿应像图4-22一样依次错开1/m个齿距角（m为相数）。这样，在U相断电而别的相通电时，转子才能继续转动。对于图4-26所示的步进电动机来说，由于z=40，故采用单三拍和双三拍运行方式时，步距角为

图4-26 步进电动机典型结构

采用六拍方式运行时，步距角为