步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展

1、步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展、應(yīng)用和種類簡介 步進(jìn)電機(jī)最早是在1920年代由英國人所開發(fā)。1950年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。 步進(jìn)電機(jī)依依其構(gòu)造造上的差差異可分分為三大大類： （下圖圖一） 可變磁磁阻式（VR型）：轉(zhuǎn)子以軟鐵鐵加工成成齒狀，當(dāng)當(dāng)定子線線圈不加加激磁電電壓時(shí)，保保持轉(zhuǎn)矩矩為

2、零，故故其轉(zhuǎn)子子慣性小小、響應(yīng)應(yīng)性佳，但但其容許許負(fù)荷慣慣性并不不大。其其步進(jìn)角角通常為為15。 永久久磁鐵式式（PMM型）：轉(zhuǎn)子由永久久磁鐵構(gòu)構(gòu)成，其其磁化方方向?yàn)檩椵椣虼呕?，無激激磁時(shí)有有保持轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。依依轉(zhuǎn)子材材質(zhì)區(qū)分分，其步步進(jìn)角有有45、90及7.55、11.225、15、18等幾種種。 混和和式（HHB型）：轉(zhuǎn)子由軸向向磁化的的磁鐵制制成，磁磁極做成成復(fù)極的的形式，其其乃兼采采可變磁磁阻式步步進(jìn)電機(jī)機(jī)及永久久磁鐵式式步進(jìn)電電機(jī)的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，精精確度高高、轉(zhuǎn)矩矩大、步步進(jìn)角度度小。 （圖一） 目前市場(chǎng)上上所使用用的工業(yè)業(yè)用步進(jìn)進(jìn)電機(jī)，以以混和式式（HBB型）最最為普遍遍。 步進(jìn)電機(jī)的的特

3、征 高精度的定定位： 步步進(jìn)電機(jī)機(jī)最大特特征即是是能夠簡簡單的做做到高精精度的定定位控制制。以55相步進(jìn)進(jìn)電機(jī)為為例：其其定位基基本單位位（分辨辨率）為為0.772（全步步級(jí)）/0.336（半步步級(jí)），是是非常小小的；停停止定位位精度誤誤差皆在在3分（0.005）以內(nèi)內(nèi)，且無無累計(jì)誤誤差，故故可達(dá)到到高精度度的定位位控制。（步進(jìn)電機(jī)的定位精度是取決于電機(jī)本身的機(jī)械加工精度）位置及速度控制： 步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的回轉(zhuǎn)進(jìn)而得到靈活的角度控制（位置控制），并可得到與該脈沖信號(hào)周波數(shù)（頻率）成比例的回轉(zhuǎn)速度。具定位保持力： 步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下（無脈波信號(hào)輸入時(shí)），

4、仍具有激磁保持力，故即使不依靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。動(dòng)作靈敏： 步進(jìn)電機(jī)因?yàn)榧铀傩阅軆?yōu)越,所以可做到瞬時(shí)起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動(dòng)作。開回路控制、不必依賴傳感器定位： 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器（ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)）及位置傳感器（SENSOR），就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。也因其屬開回路控制，故最適合于短距離、高頻度、高精度之定位控制的場(chǎng)合下使用。中低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩： 步進(jìn)電機(jī)在中低速時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩，故能夠較同級(jí)伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。高信賴性： 使用步進(jìn)電機(jī)裝置與使用離合器、減速機(jī)及極限開關(guān)等其它裝置相較，步進(jìn)電機(jī)的故障及誤

5、動(dòng)作少，所以在檢查及保養(yǎng)時(shí)也較簡單容易。小型、高功率： 步進(jìn)電機(jī)體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內(nèi)，仍可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。 步進(jìn)電機(jī)的的速度轉(zhuǎn)矩特特性 速度-轉(zhuǎn)矩矩特性取取決于電電機(jī)及驅(qū)驅(qū)動(dòng)器，尤尤其與所所搭配的的驅(qū)動(dòng)器器有著極極大的影影響；使使用的驅(qū)驅(qū)動(dòng)器不不同，特特性上的的差異也也就會(huì)有有明顯的的不同。 （圖二） 步進(jìn)電機(jī)速速度-轉(zhuǎn)矩特特性曲線線圖（圖圖二）說說明： (1)激磁磁最大靜靜止轉(zhuǎn)矩矩：當(dāng)運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖沖速度等等于0 Hz時(shí)時(shí)，曲線線與Y軸交接接的點(diǎn)即即稱為激激磁最大大靜止轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。也也就是指指電機(jī)在在通電但但無輸入入脈沖信信號(hào)的情情況下，其其所具備備的保持持轉(zhuǎn)矩即即稱為激

6、激磁最大大靜止轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。 (2)脫出出轉(zhuǎn)矩：又稱最最大轉(zhuǎn)矩矩，為電電機(jī)于運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所所能帶動(dòng)動(dòng)的最大大負(fù)荷。 (3)最大大響應(yīng)頻頻率：在在無負(fù)載載、負(fù)荷荷慣性為為0時(shí)，電電機(jī)所能能夠響應(yīng)應(yīng)之最快快的速度度。 (4)最大大自起動(dòng)動(dòng)頻率：電機(jī)在在無載的的狀態(tài)下下可以做做到瞬時(shí)時(shí)的起動(dòng)動(dòng)而不失失步的速速度謂之之最大自自起動(dòng)頻頻率。 二相與五相相步進(jìn)電電機(jī)的差差異 步進(jìn)電機(jī)主主要是依依相數(shù)來來做分類類，而其其中又以以二相、五五相步進(jìn)進(jìn)電機(jī)為為目前市市場(chǎng)上所所廣泛采采用。二二相步進(jìn)進(jìn)電機(jī)每每轉(zhuǎn)最細(xì)細(xì)可分割割為4000等分分，五相相則可分分割為 10000等分分， 所以表表現(xiàn)出來來的特性性以五相相步進(jìn)電電機(jī)較

7、佳佳、 加減速速時(shí)間較較短、 動(dòng)態(tài)慣慣性較低低。二相相/五相步步進(jìn)電機(jī)機(jī)差異比比較： 二相步進(jìn)電電機(jī) 五相步進(jìn)電電機(jī) 電機(jī)構(gòu)造（請(qǐng)請(qǐng)參照?qǐng)D圖三） 8個(gè)主極4相(2相)4極線線圈 10個(gè)主極極5相2極線圈圈 分解能 1.8/0.99（2000、4000分割/圈） 0.72/0.36（5000、10000分割割/圈）較二相步進(jìn)進(jìn)電機(jī)高高出2.5倍 分解能。 振動(dòng)性 100-2200PPPS之之間為低低速共振振領(lǐng)域， 振動(dòng)較大 無顯著共振振點(diǎn) 低振動(dòng) 速度轉(zhuǎn)矩矩特性 于速度上不不及五相相步進(jìn)電電機(jī) 高速度、高高轉(zhuǎn)矩 （圖三）二相/五相相步進(jìn)電電機(jī)基本本性能匯匯整比較較： 優(yōu)/良良/稍差 分解能 振動(dòng)

8、 速度 角度精度 響應(yīng)性 轉(zhuǎn)矩 噪音 二相步進(jìn)電電機(jī) 五相步進(jìn)電電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的的驅(qū)動(dòng)系系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)在在單單僅僅給予電電壓時(shí)，電電機(jī)是不不會(huì)動(dòng)作作的，必必須透過過脈波產(chǎn)產(chǎn)生器提提供位置置（脈波波數(shù)）、速速度的脈脈波信號(hào)號(hào)指令，以以及驅(qū)動(dòng)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)動(dòng)電流流流過電機(jī)機(jī)內(nèi)部線線圈、依依順序切切換激磁磁相序的的方式才才能夠讓讓電機(jī)運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)。所所以欲使使步進(jìn)電電機(jī)動(dòng)作作的必要要系統(tǒng)組組成有： 1.脈脈沖產(chǎn)生生器：給給予角度度（位置置移動(dòng)量量）、動(dòng)動(dòng)作速度度及運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)方向之之脈沖信信號(hào)的電電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)指令。 2.步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：依控制器所投入的脈沖信號(hào)指令，提供電流來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。 3.步進(jìn)電機(jī)：提供轉(zhuǎn)矩動(dòng)力輸

9、出來帶動(dòng)負(fù)載。所以步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器（ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)）、位置傳感器（SENSOR），即能依照脈沖產(chǎn)生器所輸入的脈沖來做到速度及位置的控制。 步進(jìn)電機(jī)的的速度、位位置控制制 速度控制制： 步步進(jìn)電機(jī)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度會(huì)會(huì)與輸入入的脈沖沖速度成成等比例例的關(guān)系系，所以以在脈沖沖的速度度愈快時(shí)時(shí)，步進(jìn)進(jìn)電機(jī)的的轉(zhuǎn)速也也會(huì)跟著著加快；脈波速速度愈慢慢時(shí)，電電機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速自然然也跟著著變慢。電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度（RPM）與脈沖速度（PPS，又稱Hz）間的關(guān)系式如下：電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度（RPM） 脈沖速度（PPS或 Hz） 60 步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)/圈說明： 1.RPM為一般電機(jī)的速度單位，即

10、 rev / min，為每分鐘電機(jī)所轉(zhuǎn)的圈數(shù)；PPS為步進(jìn)、伺服電機(jī)的速 度單位位，即ppulsse pper seccondd，為每每秒所送送出的脈脈沖數(shù)。 2.由由于RPPM與PPSS的單位位不同，所所以于轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的過過程中要要先將PPPS的的秒鐘乘乘以600變?yōu)榉址昼?。 33.步進(jìn)進(jìn)電機(jī)分分割數(shù)/圈，又又代表要要讓電機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)一圈圈所必須須送出的的脈沖數(shù)。 4.上上述公式式拆解后后之單位位表示為為 reev/mmin = ppulsse/ssec 60 1/分割割數(shù) 實(shí)例：五相相半步級(jí)級(jí)角0.36時(shí)（即即10000分割割/圈） （1）電機(jī)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度6600RRPM時(shí)時(shí)，即相相當(dāng)于脈脈沖速

11、度度10,0000PPSS。 （2）脈沖速度度3,0000PPPS，即即相當(dāng)于于電機(jī)的的運(yùn)轉(zhuǎn)速速度1880RPPM。位置控控制： 步步進(jìn)電機(jī)機(jī)不需要要位置傳傳感器（SENSOR），就可依照輸入的脈沖數(shù)決定移動(dòng)量，并將負(fù)載順利、正確的送達(dá)指定位置點(diǎn)上。而移動(dòng)量的大小，是依照電機(jī)分辨率的大小與輸入的脈沖數(shù)來決定。脈沖數(shù)（PULSE）與移動(dòng)量間的關(guān)系式如下： 位置移動(dòng)量（ ） 步進(jìn)電機(jī)分辨率（ ） 輸入脈沖數(shù) 實(shí)例：二相全步級(jí)角1.8時(shí) 當(dāng)輸入1000個(gè)脈沖數(shù)（即1000PULSE），此時(shí)之移動(dòng)量會(huì)是1800，剛好為5圈。 步進(jìn)電機(jī)疑疑難雜癥癥處理 如何有效改改善步進(jìn)進(jìn)電機(jī)的的溫升問問題？ 可依下列

12、步步驟作做做檢查及及確認(rèn)： 1.是否用用于連續(xù)續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的的場(chǎng)合？ （步進(jìn)電機(jī)機(jī)的特性性并不適適合于連連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合合下使用用,在此場(chǎng)場(chǎng)合下使使用時(shí)一一定會(huì)有有較高的的溫升 產(chǎn)產(chǎn)生。請(qǐng)請(qǐng)重新確確認(rèn)機(jī)構(gòu)構(gòu)動(dòng)作需需求條件件并重新新評(píng)估使使用的電電機(jī)。） 2.請(qǐng)確認(rèn)認(rèn)機(jī)構(gòu)動(dòng)動(dòng)作頻度度、周期期？ （走停的動(dòng)動(dòng)作頻度度過高將將可能因因脈沖輸入入停止的的時(shí)間過過短而導(dǎo)導(dǎo)致電流流尚未下下降就又又重新激激活， 故故此時(shí)的的溫升一一定會(huì)較較高。建建議您可可將動(dòng)作作頻度降降低以改改善溫升升問題。 3.將RUUN電流流調(diào)小情情況可否否改善？ （在轉(zhuǎn)矩足足夠的情情況下將將驅(qū)動(dòng)器器的RUUN電流流調(diào)小將將可有效效的使溫溫

13、升降低低。但若若因扭力力的關(guān)系系 一一定得使使用到較較大的電電流時(shí),則建議議您可將將電機(jī)更更換為大大一等級(jí)級(jí)的電機(jī)機(jī)后再將將電流調(diào)調(diào)低以改改 善善溫升問問題。） 4.將STTOP電電流調(diào)小小情況可可否改善善？ （在保持力力足夠的的情況下下將驅(qū)動(dòng)動(dòng)器的SSTOPP電流調(diào)調(diào)小將可可于電機(jī)機(jī)停止時(shí)時(shí)有效的的使溫升升降低。但但 若若因停止止保持力力的關(guān)系系一定得得使用到到較大的的STOOP電流流時(shí),則建議議您可將將電機(jī)更更換為大大一等級(jí)級(jí) 的的電機(jī)后后再將電電流調(diào)低低以改善善溫升問問題。） 5.驅(qū)動(dòng)器器上的指指撥開關(guān)關(guān)是否打打開電流流自動(dòng)降降低檔？ （若未打開開,電機(jī)機(jī)停止時(shí)時(shí)電流將將無法自自動(dòng)下降降,溫升會(huì)會(huì)因此而而較高。建建議使用用此功能能， 將將可避免免步進(jìn)電電機(jī)及驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的的溫升問問題。） 6.目前使使用的速速度是否否界于溫溫升較高高(即電流流較大)的范圍圍內(nèi)？(由特性性曲線圖圖中的電電流曲線線得知) （請(qǐng)盡量避避開溫升升較高的的速度范范圍使用用,對(duì)于溫溫升的降降低將有有幫助。） 7.周圍環(huán)環(huán)境溫度度如何?是否過過高？ （電機(jī)溫度度環(huán)境境溫度電機(jī)溫溫升，故故環(huán)境溫溫度較高高時(shí)，電電機(jī)的溫溫度也會(huì)會(huì)因