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。