步进电机工作原理

步进电机(马达)工作原理简介

电机在工厂自动化中扮演着十分重要的角色，电机的种类由结构上与控制方法上可分成直流电机、交流电机、

伺服电机以及步进电机。其中若以动力输出的观点而言，直流电机、交流电机有较佳的动力输出；但若以控制

精度的方向来看，则伺服电机及步进电机应该是较佳的选择。

一、步进电机的种类与原理

步进电机的种类依照结构来分可以分成三种：永久磁铁 PM 式(permanent magnet type)、可变磁阻 VR 式

(variable reluctance type)、以及复合式(hybrid type)。PM 式步进电机之结构如图 1(a)所示，PM 式步进电

机的转子是以永久磁铁制成，其特性为线圈无激磁时，由于转子本身具磁性故仍能产生保持转矩。PM 式步进

电机的步进角依照转子材质不同而有所改变，例如铝镍钴系(alnico)磁铁转子之步进角较大，为 45°或 90°，

而陶铁系(ferrite)磁铁因可多极磁化故步进角较小，为 7.5°及 15°。

图 1(b)为 VR 式步进电机之结构，VR 式步进电机的转子是以高导磁材料加工制成，由于是利用定子线圈产生

吸引力使转子转动，因此当线圈未激磁时无法保持转矩，此外，由于转子可以经由设计提高效率，故 VR 式

步进电机可以提供较大之转矩，通常运用于需要较大转矩与精确定位之工具机上，VR 式的步进角一般均为

15°。

复合式步进电机在结构上，是在转子外围设置许多齿轮状之突出电极，同时在其轴向亦装置永久磁铁，可视

为 PM 式与 VR 式之合体，故称之为复合式步进电机，复合式步进电机具备了 PM 式与 VR 式两者的优点，因

此具备高精确度与高转矩的特性，复合式步进电机的步进角较小，一般介于 1.8°~3.6°之间，最常运用于 OA

器材如复印机、打印机或摄影器材上。

电动机动作原理是当转子通上电流时由于切割定子所产生的磁力线而生成旋转扭矩造成电动机转子的转动；

步进电机的驱动原理也是如此，不过若以驱动信号的观点来看，一般直流电机与交流电机所使用的驱动电压

信号为连续的直流信号与交流信号，而步进电机则是使用不连续的脉波信号，三种电压信号的电压时间图如

图 2 所示。

前面介绍过步进电机的结构，不论是 PM 式、VR 式或复合式步进电机，其定子均设计为齿轮状，这是因为步

进电机是以脉波信号依照顺序使定子激磁。图 8 所示为步进电机的驱动原理，图 8 将圆周分布的定子展开为直

线以方便读者理解，若脉波激磁信号依序传送至 A 相、A+相、B 相、B+相则转子向右移动（正转），相反的若

将顺序颠倒则转子向左移动（反转）。值得注意的是在实际状况下，定子 A 相与定子 B 相在位置上是相对的，

若同时激磁则可提升转矩，相同的若四个相都同时激磁则转子完全静止处于电磁煞车状态。此外，更可以利用

电子分相激磁的原理，以电子技术控制各相的脉波电压值、导通时间，使步进电机的步进角更细微，做到更精

密的定位控制，图 9 为步进电机之控制驱动流程图。

二、步进电机之运转特性

图 9 之步进电机控制流程图中，步进电机系由微电脑控制器所控制，当控制信号自微电脑输出后，随即由驱

动器将信号放大，达到控制电机运转的目的，整个控制流程中并无利用到任何回馈信号，因此步进电机的控

制模式为典型的闭回路控制(Close loop control)。闭回路控制的优点为控制系统简洁，无回馈信号因此不需

传感器成本较低，不过正由于步进电机的控制为开路控制，因此若电机发生失步或失速的情况时，无法立即

利用传感器将位置误差传回做修正补偿，要解决类似的问题只能从了解步进电机运转特性着手。