這臺看起來平平無奇，跟小時候玩的盜版奧迪雙鉆四驅車里的直流小馬達樣子差不太多的小電機，其實是一臺PM步進電機。小小身軀裝著簡單但構思精巧的結構，這篇文章帶你看懂PM步進電機！

圖1 一臺典型的PM步進電機

PM步進電機的基本原理與混合式步進電機是完全一樣的，區(qū)別就是在于它的轉子是永磁體構成的，PM就是permanent magnetic的縮寫，意思就是永磁的。

PM步進電機的轉子就是在轉子外沿輪流分布永磁鐵，NS極相互交錯，表面均勻無齒（圖2所示）。這與混合式步進電機的轉子結構是完全不一樣的設計。顯然這種設計無法讓轉子極對數達到很大的數量，一般就是5-12對，而混合式步進電機轉子的軸向永磁體磁場和交錯齒結構，讓其轉子的極對數達到了50（甚至100）。

圖2 PM步進電機（左）和混合式步進電機（右）轉子結構示意圖。

說完了轉子結構，接下來說PM步進電機巧妙的定子結構，如圖3所示。可以看到一相只有一個繞組，繞組的兩極方向各有一個帶爪的極板，N、S極的極爪相互交錯分布在繞組內側。磁力線通過極板的引導，在繞組內側形成了NS極交錯的磁場分布。

圖3 2相PM步進電機的剖面圖（左）和剖面立體圖（右）

其他相的繞組則與第一相繞組同軸放置，磁場相互交錯一定的角度。交錯的角度（電角度）可以記為：

θ=180°/P

P是電機的相數，最終這個交錯的角度θ轉換成機械角度便是PM步進電機的步距角。

PM步進電機的結構可以用圖4所示的示意圖來表示。外面兩圈分別是定子的兩相（為了方便，將平行放置的大小相同的定子線圈畫成了同心圓環(huán)，其實不同相定子是同軸放置的大小相同的線圈結構），藍白相間的格子代表的就是間隔分布的極爪，最里面的環(huán)形代表轉子上的永磁體磁極。轉子極對數和定子極對數是相等的。

圖4 2相PM步進電機轉子定子磁極示意圖

接下來我們以2相PM步進電機為例，假設定子、轉子極對數都是12。

那么根據上文的討論，A、B兩相的極爪放置角度（磁場角度）應當交錯180°/2=90°（電角度），由于轉子極對數是12，那么轉換成機械角度就是90°/12=7.5°。由于極對數是12，一個N極或S極占據的角度即為15°，所以兩相位置偏移正好是半個極爪的位置（如圖4所示）。

那么PM步進電機又是如何轉起來的呢？

我們將兩相按照這樣的順序通電：A>B>A->B->A。A代表A相正向通電，A-代表A相反向通電。

那么假如初始時，A相通電，那么平衡時，轉子和定子的位置應當如圖5所示

圖5 A相通電時，轉子N極與A相定子S極爪對齊

這時，切換成B相通電，那么磁場情況變成圖 (左）所示狀態(tài)，那么轉子受到定子磁場順時針的力矩，從而順時針方向轉動一個步距角，顯然這個角度就是7.5°，轉動之后的平衡位置如圖6（右）所示。

圖6 A切換到B后磁場變化以及轉子受力情況（左），切換到B相后平衡狀態(tài)（右）

接下來切換成A相反向通電，那么磁場情況如圖7（左）所示，顯然，轉子繼續(xù)受到順時針方向力矩，繼續(xù)轉動下一個7.5°到平衡位置（圖7（右））。

圖7 A相通反向電流時，定子、轉子磁場情況以及轉子受力示意（左）以及平衡位置（右）

就這樣隨著兩相電流的切換，轉子便持續(xù)轉動了起來。

至于兩相勵磁、半步驅動以及細分驅動的原理就和混合式步進電機一模一樣啦，感興趣可以參考前面的文章步進電機的驅動模式及其原理。

以上是兩相PM步進電機的結構與運行原理，那么更多相數呢，其實本質還是一樣的，下面以三相PM電機的結構舉例。

結構上，三相PM步進電機就是在兩相電機基礎上再多疊一個線圈（圖8）。三個線圈極爪的交錯的電角度為180°/3=60°，在極對數為12的情況下，轉換成機械角度也就是5°。因此三相PM步進電機（極對數12）的步距角就是5°。

圖8 三相PM步進電機的剖面立體圖

三相PM步進電機的定子和轉子磁極位置關系可以用以下示意圖來描述?？梢钥吹睫D子S極依次與A、B、C相N極對齊，然后再與A-相N極（A相S極）對齊，轉子每次轉動的角度為5°，即步距角。

圖9 3相PM步進電機的磁極分布示意圖。

綜上，可以看到，對比混合式步進電機而言，一方面，PM步進電機沒有精細的齒槽結構，因此材料的加工難度降低很多；另一方面，PM電機每一個相都只有一個線圈，繞線復雜程度大幅下降（對于混合式步進電機，每一相都有2-4個繞組）。因此PM步進電機的生產成本低很多。但是由于轉子的永磁體磁極很難再做得更多，因此PM步進電機的精度相對來說會更低一些。

以上就是PM步進電機的結構和驅動原理啦，利用簡單的結構便實現了步進電機的功能，實在是巧妙！