步进电机控制工作原理 步进电机的名称 步进电机(stepping motor),步进电机(step motor)，或者是脉冲电机(pulse motor)，其它 的如(stepper motor)等……有着各式各样的称呼方式，这些用日本话来表示的时候，就成为阶 动电动机，还有，阶动就是一步一步阶段动作的意思，这各用另外一种语言来表示时，就是成为 步进驱动的意思，总之，就是输入一个脉冲就会有一定的转角，分配转轴变位的电动机。 步进电机简介： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制组件。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变 化的影响，即给电机加一个脉冲信号， 电机则转过一个步距角。 这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置 等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 单相步进电机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电机有 多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进 电机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转 换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配 器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步 进 电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电机的转速与输入 脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。在非超载的情况下， 电机 的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一 个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 步进电机按旋转结构分两大类：1 是圆型旋转电机如下图 A 2 直线型电机，结构就象一个圆型旋 转电机被展开一样，如下图 B 一，步进电机的种类 现在，在市场上所出现的步进电机有很多种类，依照性能及使用目的等有各自不同的区分使用。 举个例子，各自不同的区分使用有精密位置决定控制的混合型，或者是低价格想用简易控制系 构成的 PM 型，由于电机的磁气构造分类， 因此就性能上来说就会有影响，其它的有依步进 电 机的外观形状来分类，也有由驱动相数来分类，和驱动回路分类等。 以步进电机的转子的材料可以分为三大类。 〈1〉PM 型步进电机:磁铁型(permanent magnet type) 〈2〉VR 型步进电机:可变磁阻型(variable erluctance type) 〈3〉HB 型混合型步进电机，复合型(hybrid type) 1，PM 型 PM 型步进电机的原理构造如图 1 所示，转子是磁铁所构成，更进一步的往这个周围配置 了复数个的固定子。 在图 2.2.1 上，转子磁铁为 N、S 一对，而它的固定子线 个构成，这些因为和步进角有 直接关系， 所以如需要较微细的步进角时， 转子磁铁的极数和发生驱动力的固定子线圈的数不能 不对应的增加，还有在图 1 的构造步进角为 90° 。 图 1 PM 型步进电机的原理图(2 相单极) 而且，PM 型的特征是因为在转子是磁铁构成的，所以就算在无激磁(固定子的任何线圈不 通电时)也需在一定程度上保持了转矩的发生，因而，依照利用这种的性质效果，可以构成省能 积形的系统。 这种的步进电机，它的步进角种类很多，钐钴系磁铁的转子是用在 45° 或者 90° 上，而且这些 也可以用氟莱铁(ferrite)磁铁作为多极的充磁，有 3.75° 、11.25° 、15° 、18° 、22.5° 等丰富 的种类，但是从这些数字上看 7.5° (转 48 步进)是为普及化的。 2， VR 型 VR 型步进电机的构造，如图 2 所示，转子是利用转子的突极吸引所发生的转力，因而 VR 型在 无激磁的时候，并不发生保持转矩。 图 2 VR 型步进电机的原理图(2 相单极) 主要的用途适用在比较大的转矩上的工作机械， 或者特殊使用的小型起动机的上卷机械上。 其它 也有用在出力为 1W 以下的超小型电机上，总之，VR 型的数量是非常少的，在步进 电机的全 部生产量上只有数%程度而已。 还有，步进角的种类有 15° 、7.5° 、也有 1.8° ，但是在数量上以 1.5° 步进为普及化。 3 ，HB 混合型 混合型步进电机，是由固定子磁(齿)极以及和它对向的转子磁极所构成的，更近一步的它的转 子有这多数的齿车状， 在这些上是由转轴和在同方向被磁化的磁铁所组合而成， 还有在构造 上比前面的 PM 型以及 VR 型更复杂，基本上是可以考虑由 VR 型和 PM 型一体化的构造。 hybrid type 型有混合型的意思存在，这个刚好是 VR 型和 PM 型两者组合的情况，所以就有 如此的称呼。 一般上混合型，因具有高精度、高转矩、微小步进角和数个优异的特征，所以刚开始在 OA 关 系， 其它的分类上也大幅的被使用， 特别是在生产量上大半是使用在盘片记忆关系的磁头转送上。 还有，在步进角上有 0.9° 、1.8° ，其它的 3.6° 也有，比起其它的电机而言，具有极细的步进 角。 图 3 为混合型步进电机的构造图，在此，在固定子上侧有 8 个激磁线圈部，更近一步的在磁极 的先端上有复数的小齿(齿车状突极) ，这些是对于转子侧的齿车状磁极，还有步进电机的驱动 机械装置。 图 3 混合型步进电机的构造图(2 相单极) 二，步进电机的驱动原理 关于步进电机的驱动机械装置，用简单的构造图简易说明，在图 4 是为了要说明步进电机驱动原理的构造图，在固定架构上有 4 个电磁铁并列这，它的下方有一 个可动磁铁对向这，而且，在磁铁的下侧上装置了引导滚轮作直线状的引导轴，沿这左、右移动 的构造。 图 4 直线型步进电机驱动原理 如此，在此对步进电动机的动作顺道追加说明，现在，电磁铁 L1 和可动磁铁 Mg 之间相互作用 产生的磁气吸引力，因而在这里场合，(a)部的位置滑动部产生静止作用，其次是电磁铁 L2 激 磁时，刚才的电磁铁 L1 OFF，由于如此可动磁铁就被吸引附在电磁铁 L2 的位置上，就成为在 (b)的位置上，更进一步的在电磁铁 L3 受激磁时，刚才的电磁铁 L2 OFF，由于如此可动磁铁就 移动至电磁铁 L3 的位置为止，就成为在(c)的位置上。 以下，依照这各动作而反复的操作，可动磁铁就会向箭头方向移动，因而，依照像这种动作顺 次的操作下，可以实现出一种致动器(在此为直线运动)，还有，在此所使用的电磁铁 L1~L4， 在任何可动磁铁(Mg)侧上，都以产生 N 极的电流流通。 而且，在此所说的构造图并不是只能有 4 个电磁铁而已，在必要上也可增加它的对应数。 图 4 的电机为直线型运动，总之就是属于线性步进电机，因而，就如这样并不能成为转型的情 况，如此，为了要成为转型就必须下些功夫，图 5 为了要使刚才线性型的构造成为旋转型的总 结，所以它的驱动原理在本质上和刚才的直线 作为转构造的产品 三，步进电机的特点 〈1〉 旋转的角度和输入的脉冲成正比，因此用开回路控制即可达成高角度及高精度定位 的要求。 〈2〉 启动、停止、正反转的应答性良好,控制容易。 〈3〉 每一步级的角度误差小，而且没有累积误差。 〈4〉 在可控制的范围内，转 速和脉冲的频率成正比，所以变速范围非常广。 〈5〉 静止时，步进电机有很高的保持转距(holding torque)，可保持在停止的位置，不需使 用煞车器即不会自由转动。 〈6〉 在超低速有很高的转距。 〈7〉 可靠性高，不需保养，整各系统的价格低廉。 〈8〉 高速运转时容易失步 〈9〉 在某一频率容易产生振动或共振现象 四，选择步进电机的参数 引入转矩(pull-in torque) 引入转矩是指步进马达能够与输入讯号同步起动、停止时的力矩，因此在引入转矩以下的 区域中马达可以随着输入讯号做同步起动、停止、以及正反转，而此区域就称作自起动区 (start-stop region)。 自起动转矩(maximum starting torque) 自起动转矩是指当起动脉波率低于 10pps 时，步进马达能够与输入讯号同步起动、停止的 力矩。 自起动频率是指马达在无负载（输出转矩为零）时的输入脉波率，此时马达可以瞬间 停止、起动。 脱出转矩(pull-out torque)自起动频率(maximum starting pulse rate) 脱出转矩是指步进马达能够与输入讯号同步运转，但无法瞬间起动、停止时的力矩，因此超 过脱出转矩则马达无法运转，同时介于脱出转矩以下与引入转矩以上的区域则马达无法瞬间起 动、停止，此区域称作扭转区域(slew region)，若欲在扭转区域中起动、停止则必须先将马达 回复到自起动区，否则会有失步现象的发生。 响应频率(maximum slewing pulse rate) 响应频率是指马达在无负载（输出转矩为零）时的输入脉波率，此时马达无法瞬间停 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 大转矩。 步进马达转矩与转速之关系为指数式反比，也就是当转速越大时转矩越小，相反的转速越小则 转矩越大， 这种现象是因为激磁线圈可以视为电感与电阻的串联电路， 当激磁时线圈的电流与电 阻、电感的关系如下式所示： (1) 其中时间常数 。 由式(1)可知线圈之激磁电流是随时间而变， 而输出转矩则与电流大小 成正比，因此当转速慢时线圈电流有足够的时间达到值，因此输出转矩较大；相同的，当转 速提高时激磁讯号变换快速，使得线圈电流减弱造成输出转矩下降。 五，步进电机术语 ： *相数：产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。 *步数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过一个齿距角 所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四步执行方式即 AB-BC*CD-DA-AB，四相八步执行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 *步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 θ 表示。θ=360 度（转子齿数 J*执 行步数） ， 以常规二、 四相， 转子齿为 50 齿电机为例。 四步执行时步距角为 θ=360 度/ （50*4） =1.8 度（俗称整步），八步执行时步距角为 θ=360 度/（50*8）=0.9 度（俗称半步）。 *定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误 差造成的）。 *静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是 衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝 数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可 取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 六，步进电机工作过程 脉冲信号的产生 脉冲信号一般由 CPU 或单片机产生的，一般脉冲信号的比例为 0.3-0.4 左右，电机转速越高， 比例则越大。 ?微处理器 以四相步进电机为例，四相电机工作方式有二种，四相四步为 AB-BC-CD-DA；四相八步为 AB-B-BC-C-CD-D-AB。 ?功率放大 功率放大是步进电机驱动系统为重要的部分。 步进电机在一定转速下的转矩取决于步进电机的 动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要 达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的驱动方 式，到目前为止，步进电机驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、 细分数等。 图 6 步进电机控制流程图 七，步进电机之运转特性： 图 6 的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，但由于是脉冲 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 7 为步进电机之特性曲线，图中横坐标的速度是指每秒的脉冲数目(pulses per second)。与一 般电机特性曲线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 7 中所示之各个动态特性将分别叙述如下： 图 7 步进电机特性曲线 八，步进电机的运用 由于步进电机所使用的驱动讯号为脉波讯号，因此以普通直流电源加在电机绕组时，电机是不 会连续转动的。此外，步进电机的电源线少有五条，其中一条为共接点，其余四条分别为 A 相、A+相、B 相、B+四相的输入点，有些步进电机的电源线共有六条，其中两条为共接点，将 A 相、A+相，与 B 相、B+四相的输入点分成两组。要分辨何者为共接点，何者为输入点以及 正、反转的激磁顺序，可以先用三用电表之奥姆档量测线圈之电阻值，理论上各相的电阻值应相 等，找出共接点后再以低于额定电压电流之直流电源一一测试，便可找出步进电机正、反转的激 磁顺序。 九，步进电机运转原理 如图 1 为四相(实际为 2 相）式步进电机的基本构造图。中间转子由磁铁所构成，左边为 N 极，另一边为 S 极。定子有四组线，各线圈的 C 端共接电源正极， 另一端经由开关接在电源的负极，在看图 8。 当我们把开关 S1 按下，则线圈 A 通入电流，产生 N 极磁场，因为磁场同性相斥、异性相吸， 使转子的 S 极被 A 极吸引过来。其次，放掉开关 S1，并且立刻按下开关 S2，则 A 极的磁场消 失，B 极产生磁场，把转子的 S 极吸引过来，转子随着顺时针方向 90 度。像这样依次让定子的 四个极通入电流，就可以使转子不停的旋转。 图8 单极激磁等效驱动电路 十，步进马达的激磁方式 步进马达依定子线圈的相数不同可分成二相、四相及五相式，小型步进马达以二相式较为普遍。 单极性型(unipolar) ： 定子磁极极性为同一方向， 如可变磁阻式步进马达， 磁极线圈只有一组， 所加的激磁电流为固定方向， 因此单极性步进马达所需的电源较简单。 单极性驱动电路使用四只 晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构则如图 9 所示包含两组带有中间抽头的线圈，整 个电机共有六条线。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人区分 不了又不正确，因为它其实只有两个相位，的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进 电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。 图 9 单极性二相步进电机驱动电路 双极性型(bipolar) ：定子磁极极性为两个方向，如磁铁式步进马达，其转子的极性和定子 磁极极性有交互变化的需要。单一激磁线圈时其激磁方向为正负交替变化，两组磁极线圈时，一 组正向激磁，另一组负向激磁，两组交替变化，使定子磁极极性变化。以双极方式运用，其电源 较为复杂。双极性步进电机的驱动电路则如图 2 所示，它会使用八只晶体管来驱动两组相位。 双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机， 虽然四线式电机只能使用双极性驱动电 路， 它却能大幅降低量产型应用的成本。 双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电 路的两倍， 其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动， 上端晶体管则需要成本较高的上端 驱动电路。 双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压， 所以它不像单极性驱动电路一样需要箝 位电路。 图 10 双极性步进电机驱动电路 二相步进马达的激磁方式有下列两种: (1).全步激磁 全步激磁方式又可分为 1 相激磁与 2 相激磁两种方式，说明如下: 1 相激磁 每次只激磁一相线圈，每输入一个脉波，便产生一步级的转，如图 11 所示，由图中可知，当 激磁依 A→B→A→B→A……相顺序，则马达顺时针方向旋转;若依 B→A→B→A→B……相顺序 激磁，则马达依逆时针方向旋转。此种激磁方式之优点为线圈消耗功率小，角度良好，但其 转距小，加上阻尼特性不良，易失步。 图 11 2 相激磁 每输入一个脉波，将有二相线 所示，由图中可知，若依 AB→BA→AB→BA→ AB……相顺序激磁，则马达顺时针方向旋转:若依 BA→AB→BA→AB→BA……相顺序激磁，则 马达转向为逆时针方向。此种激磁方式由于同时有两组线圈激磁，输出转距较大，加上阻尼效果 良好，故能追踪较高的脉波率，但其缺点为耗电较大，容易发热。 图 12 （2）半步激磁 此种激磁方式又称 1-2 相激磁，激磁一相线圈和二相线圈交互进行，每加入一数字脉波所转动 之角度为原步进角的一半，因此分辨率可提高一倍，且运转时相当平滑，故与 2 相激磁方式同 受广泛使用。图 13 为二相步进马达采用 1-2 相激磁方式之时序图，由图中可知，若依照 A→ AB→B→BA→A→AB→B→BA→A→AB……相的顺序激磁，则步进马达将以顺时针方向旋转； 但如果依照 BA→A→AB→B→BA→A→AB→B→BA……相顺序激磁，则马达逆时针方向旋转 图 13 图 14 二相 5 线 线步进电机内部接线图
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