步进电机工作原理

步进电机工作原理

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步进电机, 电机

步进电机(马达)工作原理简介

电机在工厂自动化中扮演着十分重要的角色，电机的种类由结构上与控制方法上可分成直流电机、交流电机、伺服电机以及步进电机。其中若以动力输出的观点而言，直流电机、交流电机有较佳的动力输出；但若以控制精度

的方向来看，则伺服电机及步进电机应该是较佳的选择。

一、步进电机的种类与原理

步进电机的种类依照结构来分可以分成三种：永久磁铁PM式(permanent magnet type)、可变磁阻VR式(variable reluctance type)、以及复合式(hybrid type)。PM式步进电机之结构如图1(a)所示，PM式步进电机的转子是以永久磁铁制成，其特性为线圈无激磁时，由于转子本身具磁性故仍能产生保持转矩。PM式步进电机的步进角依照转子材质不同而有所改变，例如铝镍钴系(alnico)磁铁转子之步进角较大，为45°或90°，而陶铁系(ferrite)

磁铁因可多极磁化故步进角较小，为7.5°及15°。

图1 PM式与VR式步进电机之结构

图1(b)为VR式步进电机之结构，VR式步进电机的转子是以高导磁材料加工制成，由于是利用定子线圈产生吸引力使转子转动，因此当线圈未激磁时无法保持转矩，此外，由于转子可以经由设计提高效率，故VR式步进电机可以提供较大之转矩，通常运用于需要较大转矩与精确定位之工具机上，VR式的步进角一般均为15°。

复合式步进电机在结构上，是在转子外围设置许多齿轮状之突出电极，同时在其轴向亦装置永久磁铁，可视为PM 式与VR式之合体，故称之为复合式步进电机，复合式步进电机具备了PM式与VR式两者的优点，因此具备高精确度与高转矩的特性，复合式步进电机的步进角较小，一般介于1.8°~3.6°之间，最常运用于OA器材如复印机、

打印机或摄影器材上。

电动机动作原理是当转子通上电流时由于切割定子所产生的磁力线而生成旋转扭矩造成电动机转子的转动；步进电机的驱动原理也是如此，不过若以驱动信号的观点来看，一般直流电机与交流电机所使用的驱动电压信号为连续的直流信号与交流信号，而步进电机则是使用不连续的脉波信号，三种电压信号的电压时间图如图2所示。

图7 三种电机电压信号的电压－时间图

前面介绍过步进电机的结构，不论是PM式、VR式或复合式步进电机，其定子均设计为齿轮状，这是因为步进电机是以脉波信号依照顺序使定子激磁。图8所示为步进电机的驱动原理，图8将圆周分布的定子展开为直线以方便读者理解，若脉波激磁信号依序传送至A相、A+相、B相、B+相则转子向右移动（正转），相反的若将顺序颠倒则转子向左移动（反转）。值得注意的是在实际状况下，定子A相与定子B相在位置上是相对的，若同时激磁则可提升转矩，相同的若四个相都同时激磁则转子完全静止处于电磁煞车状态。此外，更可以利用电子分相激磁的原理，以电子技术控制各相的脉波电压值、导通时间，使步进电机的步进角更细微，做到更精密的定位控制，

图9为步进电机之控制驱动流程图。

图8 步进电机驱动原理

图9 步进电机控制流程图

二、步进电机之运转特性

图9之步进电机控制流程图中，步进电机系由微电脑控制器所控制，当控制信号自微电脑输出后，随即由驱动器将信号放大，达到控制电机运转的目的，整个控制流程中并无利用到任何回馈信号，因此步进电机的控制模式为典型的闭回路控制(Close loop control)。闭回路控制的优点为控制系统简洁，无回馈信号因此不需传感器成本较低，不过正由于步进电机的控制为开路控制，因此若电机发生失步或失速的情况时，无法立即利用传感器将位置误差传回做修正补偿，要解决类似的问题只能从了解步进电机运转特性着手。

所谓失速是指当电机转子的旋转速度无法跟上定子激磁速度时，造成电机转子停止转动。电机失速的现象各种电机都有发生的可能，在一般的电机应用上，发生失速时往往会造成绕组线圈烧毁的后果，不过步进电机发生失速时只会造成电机静止，线圈虽然仍在激磁中，但由于是脉波信号，因此不会烧毁线圈。

失速是指转子完全跟不上激磁速度而完全静止，失步的成因则是由于电机运转中瞬间提高转速时，因输出转矩与转速成反比，故转矩下降无法负荷外界负载，而造成小幅度的滑脱。失步的情况则只有步进电机会发生，要防止失步可以依照步进电机的转速－转矩曲线图调配电机的加速度控制程序。图10为步进电机之特性曲线，图中横坐标的速度是指每秒的脉波数目(pulses per second)。与一般电机特性曲线最大的不同点是步进电机有两条特性曲线，同时步进电机可以正常操作的范围仅限于引入转矩之间。图10中所示之各个动态特性将分别叙述如下：

图10 步进电机特性曲线

引入转矩(pull-in torque)

引入转矩是指步进电机能够与输入信号同步起动、停止时的最大力矩，因此在引入转矩以下的区域中电机可以随着输入信号做同步起动、停止、以及正反转，而此区域就称作自起动区(start-stop region)。

最大自起动转矩(maximum starting torque)

最大自起动转矩是指当起动脉波率低于10pps时，步进电机能够与输入信号同步起动、停止的最大力矩。

最大自起动频率(maximum starting pulse rate)

最大自起动频率是指电机在无负载（输出转矩为零）时最大的输入脉波率，此时电机可以瞬间停止、起动。

脱出转矩(pull-out torque)

脱出转矩是指步进电机能够与输入信号同步运转，但无法瞬间起动、停止时的最大力矩，因此超过脱出转矩则电机无法运转，同时介于脱出转矩以下与引入转矩以上的区域则电机无法瞬间起动、停止，此区域称作扭转区域(slew region)，若欲在扭转区域中起动、停止则必须先将电机回复到自起动区，否则会有失步现象的发生。

最大响应频率(maximum slewing pulse rate)

最大响应频率是指电机在无负载（输出转矩为零）时最大的输入脉波率，此时电机无法瞬间停止、起动。

保持转矩(holding torque)

保持转矩是指当线圈激磁的情况下，转子保持不动时，外界负载改变转子位置时所需施加的最大转矩。