Sudan University of Science and Technology College of Graduate Studies Department of Electrical Engineering

Stepper motor: 
Stepper motor is a special type of electric motor that moves in precisely 
defined increments of rotor position (Steps). The size of the increment is 
measured in degrees and can vary depending on the application [11]. Due to 
precise control, stepper motors are commonly used in medical, satellites, robotic 
and control applications. There are several features common to all stepper motors 
that make them ideally suited for these types of applications. They are as under 
High accuracy: Operate under open loop
Reliability: Stepper motors are brushless.
Load independent: Stepper motors rotate at a set speed under different load 
provided the rated torque is maintained.
Holding torque: For each step, the motor holds its position without brakes. 
Stepper motor requires sequencers and driver to operate. Sequencer generates 
sequence for switching which determines the direction of rotation and mode of 
operation. Driver is required to change the flux direction in the phase windings. 
The block diagram of stepper motor system is shown in Figure 4.1.
 
 
Figure 4.1 Block diagram of stepper motor system
 

---

37 
Types of Stepper Motors:
It can be classified into several types according to machine structure and 
principle of operation as explained by Kenjo (1984). There are three types: 
1. Variable Reluctance Motor (VRM) 
2. Permanent Magnet Stepper Motor (PMSM) 
3. Hybrid Stepper Motor (HSM) 
4.1.1.1
Variable Reluctance Motor: 
It consists of a soft iron multi-toothed rotor and a wound stator. When the 
stator windings are energized with DC current, the poles become magnetized. 
Rotation occurs when the rotor teeth are attracted to the energized stator poles. 
Both the stator and rotor materials must have high permeability and be capable 
of allowing high magnetic flux to pass through even if a low magneto motive 
force is applied. When the rotor teeth are directly lined up with the stator poles, 
the rotor is in a position of minimum reluctance to the magnetic flux [12]. 
A rotor step takes place when one stator phase is DE energized and the 
next phase in sequence is energized, thus creating a new position of minimum 
reluctance for the rotor as explained by Kenjo (1984). Cross-section of variable 
reluctance motor is shown in Figure 4.2. 
Figure 4.2 Cross-section of variable reluctance motor
 

---

38 
4.1.1.2
Permanent Magnet Stepper Motor: 
A stepper motor using a permanent magnet in the rotor is called a PMSM. 
The rotor no longer has teeth as with the VRM. Instead, the rotor is magnetized 
with alternating north and south poles situated in a straight line parallel to the 
rotor shaft. These magnetized rotor poles provide an increased magnetic flux 
intensity and, because of this the PM motor exhibits improved torque 
characteristics when compared with the VRM type [11], [13]. An elementary PM 
motor is shown in Figure 4.3, which employs a cylindrical permanent magnet as 
the rotor and possesses four poles in its stator. Two overlapping windings are 
wound as one winding on poles 1 and 3 and these two windings are separated 
from each other at terminals to keep them as independent windings. The same is 
true for poles 2 and 4. The terminals marked Ca or Cb denotes connected to the 
positive terminal of the power supply as explained by Kenjo (1984). 
When the windings are excited in the sequence A - B - A1 - B1 --- the 
rotor will be driven in a clockwise direction. The step length is 900 in this 
machine. If the number of stator teeth and magnetic poles on the rotor are both 
doubled, a two-phase motor with a step length of 45
0 
will be realized.