伺服电机原理和应用

步进电机的发展、应用和种类简

介

步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

步进电机依其构造上的差异可分为三大类： （下图一） ? 可变磁阻式（VR型）：

转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其

转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15°。

? 永久磁铁式（PM型）：

转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转

子材质区分，其步进角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等几种。 ? 混和式（HB型）：

转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步

进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。

（图一）

目前市场上所使用的工业用步进电机，以混和式（HB型）最为普遍。 步进电机的特征

高精度的定位：

步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。以5相步进电机为例：其定位基本单位（分辨率）为0.72°（全步级）/0.36°（半步级），是非常小的；停止定位精度误差皆在±3分（±0.05°）以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。

（步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度） 位置及速度控制：

步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制（位置控制），并可得到与该脉冲信号周波数（频率）成比例的回转速度。 具定位保持力：

步进电机在停止状态下（无脉波信号输入时），仍具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的剎车，也能做到停止位置的保持。 动作灵敏：

步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。 开回路控制、不必依赖传感器定位：

步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）及位置传感器（SENSOR），就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。 中低速时具备高转矩：

步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。 高信赖性：

使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。 小型、高功率：

步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。

步进电机的速度—转矩特性

速度-转矩特性取决于电机及驱动器，尤其与所搭配的驱动器有着极大的影响；使用的驱动器不同，特性上的差异也就会有明显的不同。

（图二）

步进电机速度-转矩特性曲线图（图二）说明：

(1)激磁最大静止转矩：当运转脉冲速度等于0 Hz时，曲线与Y轴交接的点即称为激磁最大静止转矩。也就是指电机在通电但无输入脉冲信号的情况下，其所具备的保持转矩即称为激磁最大静止转矩。

(2)脱出转矩：又称最大转矩，为电机于运转时所能带动的最大负荷。

(3)最大响应频率：在无负载、负荷惯性为0时，电机所能够响应之最快的速度。

(4)最大自起动频率：电机在无载的状态下可以做到瞬时的起动而不失步的速度谓之最大自起动频率。

二相与五相步进电机的差异

步进电机主要是依相数来做分类，而其中又以二相、五相步进电机为目前市场上所广泛采用。二相步进电机每转最细可分割为400等分，五相则可分割为 1000等分， 所以表现出来的特性以五相步进电机较佳、 加减速时间较短、 动态惯性较低。

二相/五相步进电机差异比较：

电机构造（请参照图三） 二相步进电机 五相步进电机 8个主极?4相(2相)4极线圈 10个主极?5相2极线圈 0.72°/0.36°（500、1000分割/分解能 1.8°/0.9°（200、400分割/圈） 圈） 较二相步进电机高出2.5倍 分解能。 100-200PPS之间为低速共振领振动性 域， 振动较大 速度—转矩特性 无显著共振点 低振动 于速度上不及五相步进电机 高速度、高转矩

（图三）

二相/五相步进电机基本性能汇整比较： ◎优/○良/△稍差 二相步进电机 五相步进电机

步进电机的驱动系统

分解能 振动 ○ ◎ △ ◎ 速度 角度精度 响应性 ○ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ 转矩 ◎ ◎ 噪音 △ ◎ 步进电机在单单仅给予电压时，电机是不会动作的，必须透过脉波产生器提供位置（脉波数）、速度的脉波信号指令，以及驱动器驱动电流流过电机内部线圈、依顺序切换激磁相序的方式才能够让电机运转。所以欲使步进电机动作的必要系统组成有：

1.脉冲产生器：给予角度（位置移动量）、动作速度及运转方向之脉冲信号的电机驱动指令。

2.步进驱动器：依控制器所投入的脉冲信号指令，提供电流来驱动步进电机动作。

3.步进电机：提供转矩动力输出来带动负载。

所以步进电机系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）、位置传感器（SENSOR），即能依照脉冲产生器所输入的脉冲来做到速度及位置的控制。

步进电机的速度、位置控制 速度控制：

步进电机的运转速度会与输入的脉冲速度成等比例的关系，所以在脉冲的速度愈快时，步进电机的转速也会跟着加快；脉波速度愈慢时，电机的转速自然也跟着变慢。

电机的运转速度（RPM）与脉冲速度（PPS，又称Hz）间的关系式如下： 电机的运转速度（RPM）＝ 脉冲速度（PPS或 Hz） × 60 ÷ 步进电机分割数/圈 说明：

1.RPM为一般电机的速度单位，即 rev / min，为每分钟电机所转的圈数；PPS为步进、伺服电机的速

度单位，即pulse per second，为每秒所送出的脉冲数。 2.由于RPM与PPS的单位不同，所以于转换的过程中要先将PPS的秒钟乘以60变为分钟 。

3.步进电机分割数/圈，又代表要让电机转一圈所必须送出的脉冲数。 4.上述公式拆解后之单位表示为

→ rev/min = pulse/sec ×60 ×1/分割数

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