【Maker電子學】步進馬達的原理與驅動—PART1

Posted By Liang Bird on 11 月 13, 2023 in Maker電子學, 教學文, 步進馬達, 電子學 | 0 comments

步進馬達（stepper motor）是一種在機構控制領域使用非常廣泛的馬達。現今的 3D 列印機，不管是 X-Y 平台結構，還是 delta 結構，幾乎都是使用步進馬達做爲驅動的裝置，而早年光碟機中用來控制光學讀取頭位置的馬達，也幾乎都是步進馬達。

由於步進馬達可以開環路（open-loop）控制、力矩大、好控制、誤差不會累積等特性，使它成爲許多電控機構設計的首選。

接下來的這個系列，我想跟大家聊聊步進馬達的原理、驅動，以及控制的方法。

馬達的分類

傳統上馬達的分類其實非常複雜，而且根據不同的特性有不同的分類方法。比方說根據驅動電流可以分成交流馬達跟直流馬達；根據有沒有電刷可以分成有刷馬達和無刷馬達；根據轉子與旋轉磁場互動的方式又可以分爲永磁馬達、感應式馬達、磁阻馬達等，而這些特性有些互斥、有些可以互相組合，再加上驅動技術日新月異，許多舊有的馬達結構在新的驅動技術下可以有更好、更不一樣的表現，因此許多傳統上馬達分類族系之間的界限也變得漸漸模糊。

與其它馬達比起來，步進馬達算是其中很特別的一個家族。在我們還沒有用來檢測馬達轉子角度的高精度的光學編碼器或是霍爾磁場編碼器時，步進馬達是唯一可以達到高精度角度、位置控制的馬達。

步進馬達的原理其實不複雜。如下圖所示，我們把圓形的轉子與定子拉直來看，它的轉子與定子都是鋸齒狀的構造，主要用來讓磁力線集中在轉子與定子之間相互對應。

（圖片來源：Bird 提供）

在步進馬達鋸齒狀轉子的周圍，有不同相位、不同角度的定子，而定子之間排列的角度，會是鋸齒距離的整數倍再加上一個很小的角度，這個很小的角度就是這個步進馬達在單相激磁控制時，所能旋轉的最小角度。

以上圖來說，當定子 A 通電時，轉子會因爲定子 A 所造出來的磁力線，而與定子 A 的鋸齒對齊，接下來如果我們換定子 B 通電，因爲剛通電時定子 B 與轉子的鋸齒並沒有對齊，這時根據磁阻原理，磁力線會傾向走最短的距離，因此轉子會移動到讓轉子與定子之間的磁力線距離最短的位置，也就是會讓轉子的鋸齒與定子的鋸齒對齊，而這個動作，就會讓轉子往左邊的方向移動了 delta 這個小小的距離，或是更精確的來說，旋轉了 delta 這個角度。