一.步進電機的構造

步進電動機構造上大致分為定子與轉子兩部分。 轉子由轉子 1、轉子 2、永久磁鋼等 3 部分構成。而且轉子朝軸方向 已經磁化，轉子 1 為 N 極時，轉子 2 則為 S 極。

定子擁有小齒狀的磁極，共有 10 個，皆繞有線圈。 其線圈的對角位置的磁極相互連接著，電流流通後，線圈即會被磁 化成同一極性。（例如某一線圈經由電流的流通後，對角線的磁極將 同化成 S 極或 N 極。） 對角線的 2 個磁極形成 1 個相，而由於有 A 相至 E 相等 5 個相位， 因此稱為 5 相步進電動機。 轉子的外圈由 50 個小齒構成，轉子 1 和轉子 2 的小齒於構造上互 相錯開 1/2 螺距。
勵磁∶電動機線圈通電時的狀態 磁極∶經由勵磁而磁化的定子的突出部分 小齒∶轉子和定子的齒狀

二.步進電動機的工作原理

實際上經過磁化後的轉子及定子的小齒的位置關系，在此說明如下。

A相勵磁

將 A 相勵磁，會使得磁極磁化成 S 極，而其將與帶有 N 極磁性的 轉子 1 的小齒互相吸引，並與帶有 S 極磁性的轉子 2 的小齒相斥， 於平衡後停止。此時，沒有勵磁的 B 相磁極的小齒和帶有 S 極磁性 的轉子 2 的小齒互相偏離 0.72°。以上是 A 相勵磁時的定子和轉子 小齒的位置關系。

B相勵磁

其次由 A 相勵磁轉為 B 相勵磁時，B 相磁極磁化成 N 極，與擁有 S 極磁性的轉子 2 互相吸引，而與擁有 N 極磁性的轉子 1 相斥

也就是說，從A相勵磁轉換至B相勵磁時，轉子轉動0.72°。由此可知， 勵磁相位隨 A 相→ B 相→ C 相→ D 相→ E 相→ A 相依次轉換，則 步進電動機以每次 0.72°做正確的轉動。同樣的，希望作反方向轉 動時，只需將勵磁順序倒轉，依照 A 相→ E 相→ D 相→ C 相→ B 相→ A 相勵磁即可。 0.72°的高分辨率，是取決於定子和轉子構造上的機械偏移量，所 以不需要編碼器等傳感器即可正確的定位。另外，就停止精度而言， 會影響的只有定子與轉子的加工精度、組裝精度、及線圈的直流電 阻的不同等而已，因此可獲得 ±3 分（無負載時）的高停止精度。 實際上步進電動機是由驅動器來進行勵磁相的轉換，而勵磁相的轉 換時機則是由輸入驅動器的脈沖信號所進行。以上舉的是 1 相位勵 磁的例子，實際運轉時，為有效利用線圈同時進行 4 相或 5 相勵磁的。

●控制方法的概要

◇內藏新開發的轉子位置檢測傳感器 在電動機的反輸出軸側藏有轉子位置檢測傳感器

利用傳感器線圈檢測由於轉子運轉位置所決定的磁阻的變化。

◇采用新概念的閉環控制系統

通過偏差計數器的演算可得知，脈沖信號的指令位置與實際的轉子 運轉位置的偏差量（不足／過轉）。 通過偏差計數器的演算結果判斷是否進入「失步領域」，以轉換開環 模式／閉環模式。 · 位置偏差量未達 ±1.8°時，以開環模式進行運行。 · 位置偏差量超過 ±1.8°時，以閉環模式進行運行。

於閉環電路模式下，驅動器會控制電動機線圈的勵磁狀態，令其對 於轉子運轉位置產生最大轉矩。 采用此種控制方式，於角度－轉矩特性上沒有所謂的不穩定點（失 步領域）。

◇提升步進電動機的性能

●高速領域的轉矩特性更容易使用 因為不會失步，因此使用時不需如以往的步進電動機 一般需要考慮以下各點∶ · 起因於控制器的脈沖 Profile 的加減速常數、慣性比的限制 · 起因於失步的起動脈沖速度的限制 因此可更簡單的於超過自起動領域的領域中進行高速運行。

●使用速度濾波器開關調整起動時／停止時的響應性 不需變更控制器的數據（起動脈沖速度、加減速常數）即可將起 動時／停止時的響應性做 16 種類的調整。 此一功能主要目的是希望能減少對工作物的保護，以及降低低速 運行時的振動。

步進電動機的基本特性
使用步進電動機時，電動機的特性是否符合使用條件，是相當重要 的一點。 在此說明步進電動機使用時的重要特性。 步進電動機的特性可大略分為兩項。 ●動態特性∶ 這是與步進電動機起動或運轉時有關的特性。主要會影響機器的 工作、周期時間等。 ●靜態特性∶ 這是與步進電動機停止時角度變化有關的特性，主要會影響機器 的精度。

●動態特性 ◇轉速－轉矩特性

表示驅動步進電動機時的轉速和轉矩的關系，其特性圖如上所示。 這是選用步進電動機時所必須考慮的特性。橫軸代表電動機輸出軸 的轉速，而縱軸則代表轉矩。 轉速－轉矩特性取決於電動機與驅動器，因使用的驅動器的種類不 同將產生很大的差異。
q 保持轉矩（Holding Torque） 步進電動機於通電狀態（額定電流）停止時， 所能保持的最大轉 矩（保持力）。 w 最大同步轉矩（Pullout Torque） 各種轉速所能產生的最大轉矩。 選用電動機時必須註意所需轉矩一定要在此曲線的內側。 e 最大自起動頻率（f s） 步進電動機於摩擦負載、慣性負載為 0 時，可瞬時（無加減速時 間）起動、停止的最大脈沖速度。 若以比此更大的脈沖速度來驅動電動機時，則有必要進行緩慢加 減速。電動機上有慣性負載時，則此頻率會有所下降。 （請參考慣性負載－自起動頻率特性） 最大響應頻率（f r） 步進電動機於摩擦負載、慣性負載轉為 0 時，進行緩慢的加減速 時可運行的最大脈沖速度。
下圖為代表 5 相步進電動機組合的轉速－轉矩特性。

◇慣性負載－自起動頻率特性

表示因自起動頻率的慣性負載而產生變化的特性。 步進電動機的轉子本身或負載，因有慣性慣量存在，因此於瞬時起 動或停止時，電動機軸會產生遲延或超過的現象。此一數值會隨脈 沖速度而變化，但是若超過某一數值時電動機將無法追隨脈沖速度， 而產生失步（miss-step）現象。 此一即將失步前的脈沖速度就稱為自起動頻率

相對於慣性負載的最大自起動頻率的變化可以下列公式算出近似值。
＝f
fs
JL J0
[Hz]
1＋
fs∶電動機單體的最大自起動頻率 [Hz] f ∶有慣性負載時的最大自起動頻率 [Hz] Jo∶轉動慣量 [kg.m2（gfcm2）] JL∶負載的慣性慣量 [kg.m2（gfcm2）] （J＝ 的關系存在） GD2 4
◇振動特性 步進電動機以連續的步距狀態邊移動邊重復運轉。其步距狀態的移 動會產生如下所示的 1 步距響應。
q 停止狀態的步進電動機輸入 1 脈沖時，會朝下一個步距角進行加 速。 w 加速後的電動機通過步距角並超過某個角度後，則會朝反方向被 拉回。 e 如此般衰減振動後，將於既定的步距角度位置上停止下來

●電磁制動

保持電動機位置的機械式制動。本公司采用因停電等造成電源中斷 時可立即自動保持電動機位置的無勵磁動作型電磁制動。
●齒隙 為減速機或聯軸器上的間隙。齒隙角度的範圍是無法控制的，愈小 愈容易執行高精度定位。本公司備有無齒隙的諧波減速機、PN 減 速機或齒隙較小的 PL 減速機、TH 減速機。
●脈沖輸入方式 以脈沖指令方式控制 CW、CCW 的運轉方向。有單脈沖（1P）輸入 方式與雙脈沖（2P）輸入方式。單脈沖輸入方式是依據脈沖信號與 運轉方向信號產生的方式。雙脈沖輸入方式是在 CW 方向輸入 CW 脈沖，在 CCW 方向輸入 CCW 脈沖的方式。
●光耦合器（ON、OFF） 光耦合器是將電信號轉換為光進行傳動的，輸入與輸出是采取電氣 絕緣的方式， 具有不易受幹擾的特性。本公司的定義為驅動器內部 的光耦合器（晶體管）通電狀態時為「ON」，驅動器內部的光耦合 器（晶體管）非通電狀態時為「OFF」。
OFF ON光 耦合器狀態
●微步 這是利用控制流入電動機線圈的電流，將步距角細分化，實現高分 辨率的技術步距角是非常小的，所以不會因步進驅動產生振動，實 現低振動、低噪音。
●下降 將負載從上向下帶動的工作稱為下降運行。對電動機而言，因為會 受重力而產生被帶動的情形，所以若使用伺服電動機時將會產生發 電機功能，可能造成驅動器的損壞，所以必須加裝再生電路。步進 電動機或 因是與脈沖同步轉動的，所以下降時也可執行速 度控制。
●勵磁原點 指勵磁程序處於初始的狀態。5 相步進電動機每轉動 7.2°時，便到 初始狀態。
●勵磁程序 步進電動機是依照決定的組合與順序讓電流流入電動機線圈產生旋 轉的。電流流入電動機線圈的順序稱為勵磁程序。因電動機或勵磁 方式的種類而異。
●勵磁定時信號 表示勵磁程序為初始狀態的信號，為一驅動器上的功能。電動機每 轉動 7.2°即輸出一次。因此，5 相整步時為每 10 脈沖，半步時為 每 20 脈沖輸出一次。

步進電機