步進馬達的控制及應用

壹●前言
　　馬達對於工廠自動化當中扮演著十分重要的角色，馬達的結構上與控制方法上約略可分成直流馬達、交流馬達、伺服馬達以及步進馬達。其中若以動力輸出的觀點而言，直流馬達、交流馬達有較佳的動力輸出；但若以控制精度的方向來看，則伺服馬達及步進馬達應該是較佳的選擇。而步進馬達可依比例追隨脈波信號而轉動，也因此就能達成精確的位置和速度控制，且穩定性佳的馬達。由於本作者也對步進馬達的控制原理及應用非常有興趣，因此作此論文步來探討其控制原理及應用。希望可以處使更多人投入步進馬達的相關研究的研究工作。

貳●正文
一‧步進馬達之概述
　　步進馬達為脈衝馬達的一種，其具有如齒輪狀突起相鍥合的定子和轉子，可藉由切換流向定子線圈中的電流，以一定角度逐步轉動的馬達。步進馬達的特徵是因採用開迴路控制方式，不需要運轉量檢知器或編碼器，且因切換電流觸發器的是脈波信號，不需要位置檢出和速度檢出的回授裝置，所以步進馬達可正確的依比例追隨脈波信號而轉動，也因此就能達成精確的位置和速度控制，且穩定性佳。

二‧步進馬達介紹
步進馬達的種類可依照結構來大約分成以下三種：
1‧永久磁鐵 PM 型(permanent magnet type)
　　PM 型步進馬達結構如下頁圖【一】所示，PM 式步進馬達的轉子是以永久磁鐵製成，線圈繞在定子上，在定子線圈加上直流電時會產生電磁吸引力，因而帶動轉子旋轉，所以並具有保持力，由於機械加工的問題，轉子較大，慣性慣量較大，出力也會較大，但響應速度較慢，其特性為線圈無激磁時，由於轉子本身具磁性故仍能產生保持轉矩。PM 型步進馬達的步進角依照轉子材質不同而有所改變。

2‧可變磁阻 VR 式(variable reluctance type)
　　VR 式步進馬達之結構如下頁圖【二】，VR 式步進馬達的轉子是以高導磁材料加工製成，由於是利用定子線圈產生吸引力使轉子轉動，因此當線圈未激磁時無法保持轉矩，因在轉子較小的情況下，慣性慣量較小，出力也會較小但響應速度較快，經由設計提高效率，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°。

3‧複合式(hybrid type)。
　　複合式步進馬達在結構如下頁圖【三】，是在轉子外圍設置許多齒輪狀之突出電極，童時在其軸向亦裝置永久磁鐵，可視為 PM 式與 VR 式之合體也相對的結合PM 型及 VR 型兩種步進馬達的優點，故稱之為複合式步進馬達，因此具備高精確度與高轉矩的特性，複合式步進馬達的步進角較小，一般介於 1.8°~3.6°之間，轉子由軸向磁化的磁鐵所製成，並且在圓周加工成齒輪狀，相對應於轉子的定子部份也加工成小齒狀，如此作法使得解析度(步級角)變得更精細，力量也大得多了，最常運用於 OA 器材如影印機、印表機或攝影器材上。

三‧步進馬達的特點如下所示
1. 可調式電流迴路增益(current loop gain)，可依不同馬達調整,藉以完全發揮馬達可用轉矩，且降低發熱量。
2. 靜止時具有相當的保持力，超低速下可有高轉矩傳動。
3. 解析度可達 50800 步/轉 。
4. 價格低，且容易與電腦搭配使用(PC，PLC，......)
5. 採用開回路控制，使得系統結構變得相當簡單也更容易使用操作。
6. 旋轉的角度和輸入的脈波數成正比，因此用開迴路控制即可達成 高精確角度。
7. 每一步級的角度誤差小，而且沒有累積誤差。
8. 可靠性高，整個系統的價格低
9. 另有控制器/驅動器整合機型 OEM750X 另有多種其他高性能及更高轉矩之機型可供選擇。
10. 在中低速的運轉領域擁有較大的扭力。
11. 馬達輸出轉矩 : 0.3Nm ~ 24.5Nm
12. 採用數位化控制使得我們可以輕易的得到穩定的轉速及精確定位。
13. 具有電子阻尼(electronic damping)，能有效抑制共振。
14. 啟動、停止、正反轉的應答性良好，控制容易。
15. 靜止時，步進馬達有很高的保持轉矩(Holding Torque)，可保持在 停止的位置，不需使用煞車迴路就不會自由轉動。

四‧步進馬達之控制運轉及控制原理應用
1‧步進馬達控制概述
　　馬達在根據應用的不同，在設計需求上也有程度不等的差異。以市面上常見的進馬達、直流馬達和無刷直流馬達這三大類型來說，其主要區別在於它們的驅動方式。步進馬達是以步階方式來進行分段移動，而直流馬達和無刷直流馬達通常都是採用連續移動的類比控制方式。由於步進馬達採用步階移動，所以適合應用於需要絕對定位方面的產品，以目前市場上常見的步進馬達來說，通常都具有提供每一步 1.8°或 0.9°的精確移動能力。由於步進馬達採用的是直接控制方式，其的主要命令和控制變數都是步階位置（step position）。

2‧步進馬達運轉特性
　　步進馬達控制流程圖如下圖【四】所示，步進馬達係由微電腦控制器所控制，當控制訊號自微電腦輸出後，隨即藉由驅動器將訊號放大，達到控制馬達運轉的目的，整個控制流程中並無利用到任何回饋訊號，因此步進馬達的控制模式為典型的閉迴路控制(Close loop control)。『閉迴路控制的優點為控制系統簡潔，無回饋訊號因此不需感測器成本較低，不過正由於步進馬達的控制為開路控制，因此若馬達發生失步或失速的情況時，無法立即利用感測器將位置誤差傳回做修正補償，要解決類似的問題只能從了解步進馬達運轉特性著手』《註一》。

3‧步進馬達的角度與步數之關析
　　步進馬達所示是脈沖馬達的一種，直流電源可以經過數位 IC 的處理，變成脈沖電流以控制馬達，這種馬達若以所規定的順序，將脈波加在周圍磁場，則轉子將以固定的角度做步級運轉，例如一個步進馬達可能將一圓周（360 度）分成 200 步（step），一步即為 1.8 度，如果控制此馬達前進 10 步，即控制它轉 18 度，如此可做精密的角度或距離的控制（距離的控制可配合導螺桿而達成），因此廣泛地應用在位置及角度的控制上，如機器人、事務機器等。

4‧步進馬達如何正反轉及應用
　　『步進馬達的結構不論是 PM 式、VR 式或複合式步進馬達，其定子均設計為齒輪狀，這是因為步進馬達是以脈波訊號依照順序使定子激磁，以數位電壓輸入來控制其轉速及轉動方向』《註二》。步進馬達圓周分布的定子展開為直線以便於理解，若脈波激磁訊號依序傳送至 A 相、A+相、B 相、B+相則轉子向右移動（正轉），相反的若將順序顛倒則轉子向左移動（反轉）。在實際狀況下，定子 A 相與定子 B相是處在相對位置上，若同時激磁則可提昇轉矩，相同的若四個相都同時激磁則轉子完全靜止處於電磁煞車狀態『部進馬達可應用於軟碟機、硬碟機、印表機、XY 工作台等方面，步進馬的的應用範圍十分廣泛所以現在的馬達驅動 IC 的需求量也隨之急劇增加，並刺激整個市場的發展』《註三》。

五‧步進馬達未來趨勢及改善空間
　　以這產業的發展驅勢來說，未來需用到步進馬達小型化的產品一定是會愈來愈多，因有許多明星產品一定需要於該產品上有一些動能的傳輸，一有要動能需求時，馬達在這需求上扮演了極重要的角色。未來馬達一定會趨向於耗電小、動能大、準確性高的方向發展，所以說，小型化的步進馬達於未來幾年中也可能是一項明星產業。現近高科技產品，不乏的都必須使用到步進馬達。步進馬達在這些產品中，都被視為最關鍵的零組件。相信在往後的時間裡，微精密型的馬達，都將會被使用於在通訊產品上。但它的缺點在於：金屬的散熱作用較差、重量也較重。但在不久的將來，馬達所需的部品都將朝向塑膠製品為導向以減輕步進馬達的重量且配合攜帶型產品的特性，開發出輕薄短小且易散熱的微精密步進馬達。

　　如何以最小的馬達來驅使最大的動能，一直是我的科技人所再思索的問題。馬達的製程技術，長久以來重點一直放在精準度及馬達的組裝技術良莠是否會影響產品特性上。所以配合未來的高科技產品，微精密型的步進馬達將會扮演一個不可忽視的重要角色。

意念操控電腦 神奇頭盔將問世

日期:"2008/08/06 09:31" /【中國時報閻紀宇╱綜合報導】/

　操控電腦要靠鍵盤、滑鼠、搖桿、觸控板？太遜了。美國加州舊金山的神
經科技公司「Emotiv Systems」即將推出一款名為「EmotivEPOC」的「神經頭盔」
（neuroheadset），讓使用者戴在頭上，只需起心動念，就可以操控眼前的電腦。

　Emotiv EPOC一具訂價二九九美元（約新台幣九二○○
元），是Emotiv Systems公司五年來研發人腦〡電腦介面的成果，主要運用非侵入
性的腦電波儀（ＥＥＧ）技術，感測並學習每個使用者大腦神經元電訊號模式，解
讀其意念、感覺與情緒，再無線傳輸到電腦上。

　Emotiv EPOC最重要的部分是十六個感測器，一方面緊貼頭皮感測神經訊號，一
方面將訊號傳輸給電腦。因此Emotiv EPOC的佩戴頗有學問，要費心調整位置才能
達到最佳效果，而且使用時頭部晃動幅度不宜過大。

　為了讓Emotiv EPOC儘快適應每個使用者特殊的神經訊號傳輸模式，該公司設計
了一套電腦遊戲讓使用者在遊戲過程中強化與 Emotiv EPOC的配合與互動。

　另一套「Emokey」軟體能與使用者電腦既有的應用程式或遊戲結合，擴大Emotiv
EPOC的運用範圍。

　另一家位於加州矽谷的「NeuroSky」公司也全力開發類似產品，今年二月推出一
款名為「MindSet」的「腦波控制頭盔」原型產品，號稱不僅可以根據使用者的心
智狀態來操控電腦，連遊戲機與手機也可以運用自如。

防水等級檢測方法

IPXX等級中關於防水實驗的規定。

　　（1）IPX 1
　　方法名稱：垂直滴水試驗
　　試驗設備：滴水試驗裝置
　　試樣放置：按試樣正常工作位置擺放在以 1r/min 的旋轉樣品臺上，樣品頂部至滴水口的距離不大於 200mm
　　試驗條件：滴水量為 10。5 mm/min
　　持續時間：10 min

　　（2）IPX 2
　　方法名稱：傾斜 15°滴水試驗
　　試驗設備：滴水試驗裝置
　　試樣放置：使試樣的一個面與垂線成 15°角，樣品頂部至滴水口的距離不大於 200mm 。每試驗完一個面後，換另一個面，共四次。
　　試驗條件： 滴水量為 30。5 mm/min
　　持續時間： 4×2。5 min（ 共10 min ）

　　（3）IPX 3
　　方法名稱：淋水試驗
　　試驗方法：
　　a。 擺管式淋水試驗
　　試驗設備：擺管式淋水濺水試驗裝置
　　試樣放置：選擇適當半徑的擺管，使樣品臺面高度處於擺管直徑位置上，將試樣放在樣臺上，使其頂部到樣品噴水口的距離不大於 200mm ，樣品台不旋轉。
　　試驗條件：水流量按擺管的噴水孔數計算，每孔為 0。07 L/min ，淋水時，擺管中點兩邊各 60° 弧段內的噴水孔的噴水噴向樣品。被試樣品放在擺管半圓中心。擺管沿垂線兩邊各擺動 60°，共 120°。每次擺動( 2×120°) 約 4s
　　試驗時間：連續淋水 10 min
　　b。 噴頭式淋水試驗
　　試驗設備：掌上型淋水濺水試驗裝置
　　試樣放置：使試驗頂部到手持噴頭噴水口的平行距離在 300mm 至 500mm 之間
　　試驗條件：試驗時應安裝帶平衡重物的擋板，水流量為 10 L/min
　　試驗時間：按被檢樣品外殼表面積計算，每平方米為 1 min (不包括安裝面積)，最少 5 min

　　（4）IPX 4
　　方法名稱：濺水試驗
　　試驗方法：
　　a．擺管式濺水試驗
　　試驗設備和試樣放置：與上述 IPX 3 之 a 款均相同；
　　試驗條件: 除後述條件外，與上述 IPX 3 之 a 款均相同；噴水面積為擺管中點兩邊各 90°弧段內噴水孔的噴水噴向樣品。被試樣品放在擺管半圓中心。擺管沿垂線兩邊各擺動 180°，共約 360°。每次擺動 ( 2×360°) 約 12s
　　試驗時間： 與上述 IPX 3 之 a 款均相同 ( 即10 min )。
　　b．噴頭式濺水試驗
　　試驗設備和試樣放置：與上述 IPX 3 之 b 款均相同；
　　試驗條件：拆去設備上安裝帶平衡重物的擋板，其餘與上述 IPX 3 之 b 款均相同；
　　試驗時間：與上述 IPX 3 之 b 款均相同， 即按被檢樣品外殼表面積計算，每平方米為 1 min (不包括安裝面積) 最少 5min

　　（5）IPX 5
　　方法名稱：噴水試驗
　　試驗設備：噴嘴的噴水口內徑為 6。3mm
　　試驗條件：使試驗樣品至噴水口相距為 2。5m ～ 3m ，水流量為 12。5 L/min ( 750 L/h )
　　試驗時間：按被檢樣品外殼表面積計算，每平方米為 1 min (不包括安裝面積) 最少 3 min

　　（6）IPX 6
　　方法名稱：強烈噴水試驗；
　　試驗設備：噴嘴的噴水口內徑為 12。5 mm
　　試驗條件：使試驗樣品至噴水口相距為 2。5m ～ 3m ，水流量為 100 L/min ( 6000 L/h )
　　試驗時間：按被檢樣品外殼表面積計算，每平方米為 1 min（不包括安裝面積）最少 3 min

　　（7）IPX 7
　　方法名稱：短時浸水試驗
　　試驗設備和試驗條件：浸水箱。其尺寸應使試樣放進浸水箱後，樣品底部到水面的距離至少為 1m 。試樣頂部到水面距離至少為 0。15m
　　試驗時間: 30 min

　　（8）IPX 8
　　方法名稱: 持續潛水試驗；
　　試驗設備,試驗條件和試驗時間: 由供需（買賣）雙方商定，其嚴酷程度應比 IPX 7 高。
　　注意：另外,許多戶外用電子產品也在強調漂浮能力

相關連結：
　．防水等級、防塵等級（防護等級代號IP code）

防水等級、防塵等級（防護等級代號IP code）

歐洲規範IEC 60529
IP (Ingress Protection) Codes 防護等級代號

1.中文
IPxx 防塵防水等級
　　防塵等級 (第一個X表示) 　　　　　防水等級 (第二個X表示)
---------------------------------------------------------------------------------------------
　　0 ：沒有保護 　　　　　　　　　　　　0 ：沒有保護
　　1 ：防止大的固體侵入 　　　　　　　　1 ：水滴滴入到外殼無影響
　　2 ：防止中等大小的固體侵入 　　　　　2 ：當外殼傾斜到 15 度時，水滴滴入到外殼無影響
　　3 ：防止小固體進入侵入 　　　　　　　3 ：水或雨水從 60 度角落到外殼上無影響
　　4 ：防止物體大於 1mm 的固體進入 　　4 ：液體由任何方向潑到外殼沒有傷害影響
　　5 ：防止有害的粉塵堆積 　　　　　　　5 ：用水沖洗無任何傷害
　　6 ：完全防止粉塵進入　　　　　　　　 6 ：可用於船艙內的環境
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 7 ：可於短時間內耐浸水（ 1m ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 8 ：於一定壓力下長時間浸水
---------------------------------------------------------------------------------------------

2.英文原文：

The applicable European standards for ingress protection are:
- BS EN 60529 Specification of Degrees of Protection Provided by Enclosures
- IEC 529 Specification of Degrees of Protection Provided by Enclosures
Both of these provide a numerical code to help classify the degree of protection offered, as shown below:

The first digit:
The first digit of the IP code indicates the degree that persons are protected against contact with moving parts (other than smooth rotating shafts, etc.) and the degree that equipment is protected against solid foreign bodies intruding into an enclosure.
　　------------------------------
　　0 No special protection
　　1 Protection from a large part of the body such as a hand (but no protection from deliberate access); from solid objects greater than 50mm in diameter.
　　2 Protection against fingers or other object not greater than 80mm in length and 12mm in diameter.
　　3 Protection from entry by tools, wires, etc., with a diameter of thickness greater than 1.0mm.
　　4 Protection from entry by solid objects with a diameter or thickness greater than 1.0mm
　　5 Protection from the amount of dust that would interfere with the operation of the equipment.
　　6 Dust tight.
　　------------------------------

The Second Digit:
The second digit indicates the degree of protection of the equipment inside the enclosure against the harmful entry of various forms of moisture (e.g. dripping, spraying, submersion, etc.
　　------------------------------
　　0 No special protection
　　1 Protection from dripping water.
　　2 Protection from vertically dripping water.
　　3 Protection from sprayed water.
　　4 Protection from splashed water.
　　5 Protection from water projected from a nozzle
　　6 Protection against heavy seas, or powerful jets of water.
　　7 Protection against immersion.
　　8 Protection against complete, continuous submersion in water.
　　------------------------------

3.北美的分類標準:NEMA
In North America, the NEMA classification is used in preference to the IEC codes shown above.
The IEC and NEMA degrees of protection can not be fully compared as equivalent ratings - see below. The NEMA Standard includes tests for environmental conditions such as mechanical damage, corrosion, rusting, ice formation, etc.
Further information can be found about the North American classification scheme in NEMA Standard Publication 250 and UL 40 Standard Publication.

　　　　　NEMA Enclosure Type Number 　　ApproximateIEC Classification
　　　　　----------------------------------------------------------------------
　　　　　　　　　　　1 　　　　　　　　　　　IP 10
　　　　　　　　　　　2 　　　　　　　　　　　IP 11
　　　　　　　　　　　3 　　　　　　　　　　　IP 54
　　　　　　　　　　　3R 　　　　　　　　　　IP 14
　　　　　　　　　　　3S 　　　　　　　　　　IP 54
　　　　　　　　　　　4 and 4X 　　　 　　　　IP 56
　　　　　　　　　　　5 　　　　　　　　　　　IP 52
　　　　　　　　　　　6 and 6P 　　　 　　　　IP 67
　　　　　----------------------------------------------------------------------


相關連結：
　．Wiki - IP Code
　．IP - Ingress Protection Ratings
　．Ingress Protection Ratings (IP Codes)
　．IP Code符號表示
　．另一種表示
　．JIS日本國家防水等級區別
　．IP等級檢測方法
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