步進馬達介紹

2.2.1 步進馬達發展與簡介

步進馬達(Stepping Motor)構想是於 1920 年時為了達成「可立即轉動及停止」

與「能快速正確到達目的位置」兩項單純需求所誕生的產物。由法國佛羅曼所提 出應用電磁鐵的吸引力使其轉換為迴轉式之運動化，此種利用激磁相的切換用機 械式凸輪的接點設計，便是現今步進馬達的原型。但步進馬達真正被實際運用的 例子，直到 1923 年時由蘇格蘭的法蘭西所發明之 VR 式步進馬達(Variable Relutance)，被當時英國海軍使用在軍事用途的位置定位控制上之遠端遙控。

步進馬達是屬於控制馬達的一種類型，基本上步進馬達有別於其他設計(伺服 大，為 45°或 90°，而陶鐵系(Ferrite)磁鐵因可多極磁化故步進角較小，為 7.5°及 15°。如圖 2-1 所示為 PM 式步進馬達構造圖：

2. 可變磁阻式(VR：variable reluctance type) ：

是屬於基性結構的馬達類型，其內側有裝有此輪狀的轉子(Rotor)，外側式有纏繞 線圈的定子(Stator)，並利用電流在線圈上的導通來吸引轉子作動使其成為步進式 的旋轉狀態。故VR 式步進馬達可以提供較大之轉矩，通常運用於需要較大轉矩 與精確定位之工具機上，VR 式的步進角一般均為 15°。如圖 2-2 所示為 VR 式 步進馬達構造圖：

線圈

齒輪狀 的轉子

定子

圖2-2 VR式步進馬達構造圖

3. 複合式(HB：hybrid type)：

該型是結合PM 式與 VR 式之複合型式的馬達，其轉子與定子均有裝上多數齒輪，

在轉子軸向的方向上裝有已磁化的永久磁鐵，故透過製樣的設計於通入電流作動 時可以達到每次遞動1.8°~3.6°之間，微小角度的精準控置，如圖 2-3 所示為 HB 式步進馬達構造圖：

線圈 齒輪狀的定子

裝有永久齒鐵 之齒輪狀的轉 子

圖2-3 HB式步進馬達構造圖

2.2.2 步進馬達的特性

動器不同而有所差異、一般步進馬達的響應性：啟動時間：5 ms、停止時間：5 ms ， 自吸持力(Self-Holding Force)。其原因為步進馬達之轉子所產生磁力線的制動轉 矩，與通電時所產生的轉矩等，均為自吸持轉矩，即使停止便仍可保持較大的吸 持力。則AC 馬達預執行定位能力，須具備有可稱為電磁離合器的機械性制動力。

6. 具有開環控制性：步進馬達即不同於伺服馬達須使用位置檢測器來控制，它因 與脈衝訊號成正比且為同步狀態，故仍可按照預定的脈衝訊號來執行定位。但其 與脈衝同步狀態是有範圍限制，一旦超出此範圍時會有中途停止、方向不定或位 置錯位等情況，此狀況我們稱為失步(Step-Out)。

7. 無需保養維修：步進馬達利用離合器齒輪與限制開關設備，所以故障與操作錯 誤少，保養與維修均十分方便，不像伺服馬達須做電刷檢查與更換動作。

2.2.3 步進馬達的應用與規格

步進馬達的應用與規格[35-36]，如下說明：

1. 步進馬達的應用及規格

步進馬達(Steper Motor)或脈波馬達(Pulse Motor)，不同於交流馬達、直流馬達與 伺服馬達等。其因為在低轉速時有高的轉矩值，靜止時有很高的保持轉矩力 (Holding Torque)和啟動和停止，正反轉的響應良好，及旋轉角度和輸入的脈波數 成正比角度誤差小的特性，因此使用開環迴路控制，即可達成伺服馬達所使用的 閉環迴路控制高精確角度及高精度定位的需求。

步進馬達免除繁雜的機械結構，使物品小形化、響應快，應用於定速運動、變形 運動、角度控制或位置控制的場合，選用步進馬達時，可依照以下的規格與選定：

(1) 速度一轉矩特性曲線(Speed-Torque Curve) ：圖 2-4 是選用步進馬達最基本的

圖2-4 速度一轉矩特性曲線(Speed-Torque Curve)

(2) 最大自起動轉矩(Maximum Starting Torque)：最大自起動轉矩是指當起動脈波 率低於10pps 時，步進馬達能夠與輸入訊號同步起動、停止的最大力矩。

(3) 最大自起動頻率(Maximum Starting Pulse Rate)：最大自起動頻率是指馬達在 無負載（輸出轉矩為零）時最大的輸入脈波率，馬達可以瞬間停止、起動。

(4) 最大響應頻率(Maximum Slewing Pulse Rate)：最大響應頻率是指馬達在無負 載（輸出轉矩為零）時最大的輸入脈波率，此時馬達無法瞬間停止、起動。

(5) 保持轉矩(Holding Torque)：保持轉矩是指當線圈激磁的情況下，轉子保持不 動時，外界負載改變轉子位置時所需施加的最大轉矩。

要停止時和上面步驟相反，可參考圖 2-5 的說明，我們稱此曲線為運轉曲線(Profile)

在此區間步進馬無法作瞬時的啟動、停止、正反轉的操作。

時間 脈

波 頻 率

緩慢啟動 定速運轉 緩慢停止

圖2-5 運轉曲線(Profile)

(9) 最大啟動脈波數(Max Starting Pulse Rate) ：無負載時輸入步進馬達可使馬達 啟動的脈波最大步率。

(10) 最大運動脈波數(Max Slewing Pulse Rate)： 無負載時，步進馬達運轉不產生 失步的最大頻率。

(11) 步級角(Step Angle) ：每送一個脈波、馬達旋轉的角度。

(12) 脈波率 PPS(Pulse Per Second)： 步進馬達速度的表示單位

(13) 共振(Resonace)：步進馬達在某速度區間運轉時，振動變大且運轉不順暢，

此速度區間稱為共振區域。

2.2.4 步進馬達的激磁方式

目前較常使用的步進馬達，以線圈的相數來分為２相及５相的步進馬達，因 次實驗所用之步進馬達為２相，故僅介紹２相步進馬達的三種激磁方式：

(1) １相激磁：每次會１個線圈通過電流，因此轉矩小、振動較大，消耗電力小。

(2) ２相激磁：每次使２個線圈激磁，因此轉矩大、振動小，是目前使用最多的 方式。

(3) １－２相激磁：又稱半步激磁，使１相和２相輪流激磁，因此解析度提高一 倍，且運轉平順。