Home 知識 步進馬達簡介
步進馬達簡介 PDF 列印 E-mail
作者是 Administrator   
週日, 08 三月 2009 02:00

 

 步進馬達簡介

馬達在工廠自動化中扮演著十分重要的角色,馬達的種類由結構上與控制方法上可分成直流馬達、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。

一、步進馬達的種類與原理

步進馬達的種類依照結構來分可以分成三種:永久磁鐵PM式(permanent magnet type)、可變磁阻VR式(variable reluctance type)、以及複合式(hybrid type)。PM式步進馬達的轉子是以永久磁鐵製成,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式步進馬達的步進角依照轉子材質不同而有所改變,例如鋁鎳鈷系(alnico)磁鐵轉子之步進角較大,為45°或90°,而陶鐵系 (ferrite)磁鐵因可多極磁化故步進角較小,為7.5°及15°。

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,此外,由於轉子可以經由設計提高效率,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°。

複合式步進馬達在結構上,是在轉子外圍設置許多齒輪狀之突出電極,同時在其軸向亦裝置永久磁鐵,可視為PM式與VR式之合體,故稱之為複合式步進馬達,複合式步進馬達具備了PM式與VR式兩者的優點,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,最常運用於OA器材如影印機、印表機或攝影器材上。

電動機動作原理是當轉子通上電流時由於切割定子所產生的磁力線而生成旋轉扭矩造成電動機轉子的轉動;步進馬達的驅動原理也是如此,不過若以驅動訊號的觀點來看,一般直流馬達與交流馬達所使用的驅動電壓訊號為連續的直流訊號與交流訊號,而步進馬達則是使用不連續的脈波訊號。

前面介紹過步進馬達的結構,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。步進馬達的驅動原理,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)。值得注意的是在實際狀況下,定子A相與定子B相在位置上是相對的,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。此外,更可以利用電子分相激磁的原理,以電子技術控制各相的脈波電壓值、導通時間,使步進馬達的步進角更細微,做到更精密 的定位控制。

二、步進馬達之運轉特性

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。

所謂失速是指當馬達轉子的旋轉速度無法跟上定子激磁速度時,造成馬達轉子停止轉動。馬達失速的現象各種馬達都有發生的可能,在一般的馬達應用上,發生失速時往往會造成繞組線圈燒毀的後果,不過步進馬達發生失速時只會造成馬達靜止,線圈雖然仍在激磁中,但由於是脈波訊號,因此不會燒毀線圈。

失速是指轉子完全跟不上激磁速度而完全靜止,失步的成因則是由於馬達運轉中瞬間提高轉速時,因輸出轉矩與轉速成反比,故轉矩下降無法負荷外界負載,而造成小幅度的滑脫。失步的情況則只有步進馬達會發生,要防止失步可以依照步進馬達的轉速-轉矩曲線圖調配馬達的加速度控制程式。步進馬達的速度是指每秒的脈波數目(pulses per second)。與一般馬達特性曲線最大的不同點是步進馬達有兩條特性曲線,同時步進馬達可以正常操作的範圍僅限於引入轉矩之間

˙引入轉矩(pull-in torque)

 引入轉矩是指步進馬達能夠與輸入訊號同步起動、停止時的最大力矩,因此在引入轉矩以下的區域中馬達可以隨著輸入訊號做同步起動、停止、以及正反轉,而此區域就稱作自起動區(start-stop region)。

˙最大自起動轉矩(maximum starting torque)

 最大自起動轉矩是指當起動脈波率低於10pps時,步進馬達能夠與輸入訊號同步起動、停止的最大力矩。

˙最大自起動頻率(maximum starting pulse rate)

 最大自起動頻率是指馬達在無負載(輸出轉矩為零)時最大的輸入脈波率,此時馬達可以瞬間停止、起動。

˙脫出轉矩(pull-out torque)

  脫出轉矩是指步進馬達能夠與輸入訊號同步運轉,但無法瞬間起動、停止時的最大力矩,因此超過脫出轉矩則馬達無法運轉,同時介於脫出轉矩以下與引入轉矩以上的區域則馬達無法瞬間起動、停止,此區域稱作扭轉區域(slew region),若欲在扭轉區域中起動、停止則必須先將馬達回復到自起動區,否則會有失步現象。

˙最大響應頻率(maximum slewing pulse rate)

 最大響應頻率是指馬達在無負載(輸出轉矩為零)時最大的輸入脈波率,此時馬達無法瞬間停止、起動。

˙保持轉矩(holding torque)

 保持轉矩是指當線圈激磁的情況下,轉子保持不動時,外界負載改變轉子位置 時所需施加的最大轉矩。

 步進馬達轉矩與轉速之關係為指數式反比,也就是當轉速越大時轉矩越小,相反的轉速越小則轉矩越大,這種現象是因為激磁線圈可以視為電感與電阻的串聯電路,當激磁時線圈的電流與電阻、電感的關係

三、步進馬達之應用

由於步進馬達所使用的驅動訊號為脈波訊號,因此以普通直流電源加在馬達繞組時,馬達是不會連續轉動的。此外,步進馬達的電源線最少有五條,其中一條為共接點,其餘四條分別為A相、A+相、B相、B+四相的輸入點,有些步進馬達的電源線共有六條,其中兩條為共接點,將A相、A+相,與B相、B+四相的輸入點 分成兩組。要分辨何者為共接點,何者為輸入點以及正、反轉的激磁順序,可以先用三用電表之歐姆檔量測線圈之電阻值,理論上各相的電阻值應相等,找出共接點 後再以低於額定電壓電流之直流電源一一測試,便可找出步進馬達正、反轉的激磁順序。

步進馬達所使用的驅動訊號為脈波訊號,因此在實際使用步進馬達時需包含三個部份,分別是脈波訊號產生器、訊號放大器(驅動器driver)、與步進馬達,以下針對脈波訊號產生器、訊號放大器做進一步的介紹。

˙脈波訊號產生器

一般而言能夠產生脈波訊號的平台相當多,例如訊號產生器、8051或68HC11等單晶片製作成的單板電腦、以及利用個人電腦(PC)以程式語言產生訊號再以8255界面卡輸出。

訊號產生器由於輸出的訊號為固定頻率、振幅,因此彈性不大只適合運用在一般的檢測方面;8051與68HC11等單晶片製作成的單板電腦由於功能強、彈性大 且價格低廉,因此常用於工業實務控制方面;至於利用PC以程式語言產生訊號再以8255界面至驅動電路的方式,由於程式撰寫容易且除錯方便、修改容易,因 此多為系統開發實驗階段所採用。

訊號放大器
以微電腦系統作為脈波訊號產生的平台所產生的脈波訊號為小電壓(0~5V)、小電流(0.5mA)之訊號,根本無法產生足夠的電磁場推動轉子,因此還需要一個能夠將訊號放大的驅動器也就是一般俗稱的功率放大器(amplifier)。
此外,在一般工業級的驅動器中多半會利用光耦合器(optical coupler)作為隔離保護的設計。

四、實驗設計
步進馬達之所以能夠以開迴路控制達到定位控制的原因,是由於步進馬達所使用的驅動訊號為脈波訊號,因此只要控制輸入馬達的脈波數目與步進角(step angle)就能達成定位控制,例如若馬達之步進角為1.8°時,輸入200個脈波訊號至馬達時,則馬達將旋轉一圈(1.8°´200=360°),這就是步進馬達名稱的由來。由於驅動簡單、定位準確且為開路控制,因此常常被運用在各類需要定位精確的場合,如印表機、繪圖機、軟式磁碟機、分割定位機構等裝 置。

步進馬達的相序

步進馬達依定子線圈的數目可分成2相,34相及5相式小型步進馬達以4相式較普遍高速型步進馬達則以5相式為主4相步進馬達 A相與-A ( B相與-B )同一線圈繞在同一磁極上、兩組線圈所繞的方向相反只需對其中一組線圈激磁便可以改變定子磁場的極性因此不可將A相與-A (B相與-B ) 線圈同時激磁4相步進馬達控制,由開關狀態用”1”表示導通,”0”表示截止,若開關導通順序ZYXWZYXW……則步進馬達逆時鐘(CCW);若開關導通順序為WXYZWXYZ……則步進馬達順時鐘(CW)方向轉動

步進馬達接線相序量測

若為六線四相步進馬達共有A-COM1--A , B-COM2-B 六條信號線,如何辨認各條信號線?首先用三用電表之電阻檔(Ω)測量,任選兩條信號線測試,只有A-COM1-A , B-COM2-B兩組能導通. A - A的阻抗值較大 , A – COM1 `A-COM1間的阻抗值較小,如此各自辨認出共同點COM1C0M2.將共同點COM1C0M2共同接到電源正端(或負端),電源另一端分別觸碰另外4條信號線,若碰觸4次步進馬達轉動方向均為同一方向,則觸碰信號的順序則為A , B ,A ,B (Φ1、Φ2、Φ3、Φ4 ),若觸碰測試中有反方向轉動則調整順序直到轉動方向一致為止. 

步進馬達激磁相序

步進馬達利用線圈磁感應原理由繞在定子上的線圈產生磁場吸引轉子轉動4相步進馬達線圈激磁的方式有下列三種:

 (1)  1相激磁

1相激磁為任何時間,只有一組定子線圈激磁激磁相序依A(Φ1)B(Φ2)-A(Φ3)、-B(Φ4)則步進馬達順時鐘(CW)轉動;激磁相序依-B(Φ4)-A(Φ3)B(Φ2)A(Φ1)則步進馬達逆時鐘(CCW)轉動使用1相激磁方式所驅動的步進馬達其輸出扭力(TORQUE)較小。

 (2)  2相激磁

     2相激磁為任何時間、同時有二組定子線圈激磁、激磁相序依( A B ) ( B-A ) (-A ,-B )(-B, A )每次均有兩相同時激磁波形正緣依 A B-A-B順序變動, 則步進馬達依順時鐘方向轉動激磁相序依( -B-A )(-A B )( BA )( A-B )( -B-A )波形正緣依 -B-ABA順序變動則步進馬達為逆時鐘方向轉動使用2相激磁方式驅動步進馬達的輸出扭力比1相激磁大,4相步進馬達通常使用此種方式驅動

(3)  1-2相激磁

1-2相激磁採用1相激磁2相激磁交替使用此種方式驅動步進馬達可達到半步控制以增加步進馬達的定位解析度,例如每轉一圈為200(步進角1.8)的步進馬達若採用1-2相激磁方式驅動,則旋轉一圈變成400步進角度變成0.9激磁相序為( -B , A), (A)( AB )(B)( B-A )(-A)(-A-B ) (-B)8步一循環步進馬達依順時鐘方向轉動

所謂自起動速度(Self-Starting Speed , Vs),一般皆以此步進馬達所能設定之最大值來認定,就是步進馬達在不需要加減速的情況下能直接轉動的最大速度,一般二相步進馬達在半步進(half-step)時的自起動速度大約為600以下.若馬達加上負載後,則其自起動速度會相對的降低.

   一般在控制器上設定步進馬達運轉時的自起動速度,經驗值皆設定為步進馬達每轉的解析度以下.舉例來說,若解析度為1000 p/rev的五相步進馬達 ,則其自起動速度就設定為1000pps以下,若是微步進解析度為5000 p/rev,則其自起動速度就設定為5000pps,依此類推 .

  加減速斜率(Tr)

    步進馬達在控制時,若是只控制在低速運轉領域(大約100rpm以下),則只要送固定速率的脈波到馬達驅動器即可控制步進馬達做定速率的運轉,但大部份步進馬達的運轉應用皆是在高速運轉領域(100rpm以上),所以若要使步進馬達運轉在高速領域的話,就需要有加速的動作了。 相對的,步進馬達要由高速運轉降速到停止時, 也無法立即使步進馬達停止, 而要經過減速的階段, 慢慢使步進馬達由高速慢慢減速到停止, 否則若是立即使馬達停止的話, 因為高速的慣性作用, 將會使馬達有衝過頭的現象.

    一般來說,各種定位控制器所設定加減斜率的單位皆不盡相同,但最常用的單位是pps/S^2 , 代表每秒加速(減速)多少pps , 其它也有人用時間(ms)來設加減速斜率, 表示從自啟動速度加速到目標速度之時間, 設的時間越短表示加速越快.

    加減速時間越短, 則完成定位行程的時間也越短. 但因步進馬達的解析度有大有小從 200 p/rev ~ 50000 p/rev 都有,解析度越粗(200 p/rev) 則因為每一格角度較大,相對的其旋轉慣性也較大的關係, 加減速就不能太快,而角度比較精細的微步進技術,因為其解析度較細,慣性較小,所以加減速度就可以相對的提高,也相對減少了馬達在加減速時所花的時間,所以定位時間也會縮短。

  轉速(目標速度,Vo)

    步進馬達的速度,一般皆以PPS來作單位,PPS的原意是Pulse Per Second的縮寫,代表每秒轉多少脈波,若要換算成RPM則需參考步進馬達的解析度才有辦法決定,例如 ,若步進馬達的解析度為每轉1000脈波,若送至馬達驅動器的速度為25000 PPS,則其每分鐘轉速為25000/1000*60=1500 RPM,其餘依此類推.

    若步進馬達是帶動滾珠螺桿以做直線的定位動作,則此時一般定義其速度之單位則為每秒多少公釐(1/10公分),mm/sec來表示,其計算速度方法如下 :

    若滾珠螺桿之螺距(Pitch)10mm(代表螺桿轉一圈行程走10mm),步進馬達解析度為每轉1000脈波時,則可計算出每一脈波可走10mm/1000pulse=0.01mm(一般稱為1),若送至馬達驅動器的速度為25000PPS,則可計算出直線定位的速度為25000/1000 *10=250mm/sec,其餘依此類推.

  Vs , Tr , Vo此三者的關係可參考下圖

 

最近更新在 週四, 12 三月 2009 05:21
 
廣告看板
Copyright © 2014 Open Source Matters. 版權所有.
Joomla!是基於GNU/GPL授權規定的自由軟體.