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。
步进电机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最大值，因此输出转矩较大；相同的，当转速提高时激磁信号变换快速，使得线圈电
流减弱造成输出转矩下降。
三、步进电机的应用
由于步进电机所使用的驱动信号为脉波信号，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，步进电机的电源线最少有五条，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。
步进电机所使用的驱动信号为脉波信号，因此在实际使用步进电机时需包含三个部份，分别是脉波信号产生器、信号放大器（驱动器driver）、与步进电机，以下针对脉波信号产生器、信号放大器做进一步的介绍。
脉波信号产生器
一般而言能够产生脉波信号的平台相当多，例如信号产生器、8051或68HC11等单芯片制作成的单板计算机、以及利用个人计算机(PC)以程序语言产生信号再以8255界面卡输出。
信号产生器由于输出的信号为固定频率、振幅，因此弹性不大只适合运用在一般的检测方面；8051与68HC11等单芯片制作成的单板计算机由于功能强、弹性大且价格低廉，因此常用于工业实务控制方面；至于利用PC以程序语言产生信号再以8255界面至驱动电路的方式，由于程序撰写容易且除错方便、修改容易，因此多为系统开
发实验阶段所采用。
以程控而言，一般的做法是依照电机动作需求事先将程序撰写好，利用微电脑系统产生脉波信号，其中程序内容包含有步进电机的起动、加速、减速、停止、归零、以及紧急情况处置等函式(Function)。
我们利用以下的虚拟程序来解释如何规划8255界面卡并产生脉波信号，同时利用8255界面卡的A埠(port)作为输出。
由于此程序中并未包含电机加速之功能，同时输出电流均为固定值，因此若以此程控电机运转，其运转情形就如同以低速档驾
车不但转速慢且电机容易发热。
#define Port_A 0x200 定义8255A端口之地址(ADDRESS)为200
#define Port_B 0x201 定义8255B端口之地址为201
#define Port_C 0x202 定义8255C端口之地址为202
#define Control_Port 0x203 定义8255控制端口之地址为203
#define TRUE 1
#include<dos.h>
#include<conio.h>
#include<process.h>
main()
{
int n, j, k;
int i[4]={0x01,0x02,0x04,0x08}; 正转脉波信号
int r[4]={0x08,0x04,0x02,0x01}; 逆转脉波信号
outportb(Control_Port,0x80); 规划8255A.B.C埠均为输出埠
while(j) 电机正转循环
{
for (n=0;n<4;n++)
{
outportb(Port_A,i[n]); 将脉波信号由A端口输出，电机正转一个步进角
if(kbhit())
{
j=0;
outportb(Port_A,0x00); 将脉波信号归零，电机停止
exit(0);
}
}
}
while(k) 电机反转循环
{
for (n=0;n<4;n++)
{
outportb(Port_A,r[n]); 将脉波信号由A端口输出，电机反转一个步进角
if(kbhit())
{
k=0;
outportb(Port_A,0x00); 将脉波信号归零，电机停止
exit(0);
}
}
}
outportb(Port_A,0x00); 将脉波信号归零
}
信号放大器
以微电脑系统作为脉波信号产生的平台所产生的脉波信号为小电压(0~5V)、小电流(0.5mA)之信号，根本无法产
生足够的电磁场推动转子，因此还需要一个能够将信号放大的驱动器也就是一般俗称的功率放大器(amplifier)。
如图11所示即为利用四组达林顿对晶体管(Darlington configuration)所构成的驱动电路，放大倍率为两颗晶
体管射极电流增益β的乘积(Ic = IE ＝βI B)。
此外，在图11中+12V之外部电源与8255界面卡之间并无隔离保护，倘若外部电源突然升高时极有可能将8255界面卡甚至是PC烧毁，因此在一般工业级的驱动器中多半会利用光耦合器(optical coupler)作为隔离保护的设
计。
图11 达林顿对晶体管驱动电路
四、实验设计
步进电机之所以能够以开回路控制达到定位控制的原因，是由于步进电机所使用的驱动信号为脉波信号，因此只要控制输入电机的脉波数目与步进角(step angle)就能达成定位控制，例如若电机之步进角为1.8°时，输入200个脉波信号至电机时，则电机将旋转一圈(1.8°´200=360°)，这就是步进电机名称的由来。
由于驱动简单、定位准确且为开路控制，因此常常被运用在各类需要定位精确的场合，如打印机、绘图机、软式磁盘驱动器、
分割定位机构等装置。
步进电机加减速实验设计
步进电机为开路控制，为了达到精确的控制与提告高效率，因此如何利用适当的加减速使步进电机避免失步与失速就显得格外的重要。
本单元中介绍了各式的步进电机之结构与驱动原理，请设计一套实验，以程序改变参数的方式控制步进电机的转速、转向、以及加减速，以观察步进电机在加减速时的情况，以及步进电机失步与失速之
状况。
本实验主要的目的，在于提供同学一个思考如何控制、驱动步进电机的机会，由本实验设计体验步进电机之特性。
利用8255界面卡作为驱动电路与控制器之I/O通讯界面，同时利用C程序语言撰写控制程序，程序的内容包括规划8255界面卡之输入、输出埠，以及计算加速、减速时所需输出单位时间脉波数目pps，此外程序之变量设计应采用参数方式，以方便修改与观察步进电机各种输出特性之变化。
