步進馬達：微步驅動原理

步進馬達可以透過被稱為“微步”的驅動方法來實現更精細的步距角控制。在本文中將介紹其工作原理。

步進馬達：微步驅動原理

在上一篇文章“步進馬達的基本旋轉原理”中，有一個兩相雙載子線圈逐相激磁的範例。在該範例中，按步（使電流流經一組線圈中的一個而不流經另一個線圈）介紹了步進馬達每旋轉90°的原理。而微步驅動則可以使步進馬達按照更精細的步距角旋轉。

步進馬達的微步驅動有優點主要有兩個：一個是可以控制微小角度的位置。另一個是可以降低低速範圍內的振動和雜訊。步進馬達在每一步都伴隨著阻尼振動，最終停止在所定位置。也就是說，相對於停止位置經過多次向前過頭和後退過頭後最終完全停止。如果步進馬達低速旋轉，則這種阻尼振動可能會引起振動和雜訊。透過減小步距角可以減少阻尼振動，透過微步驅動可以降低低速範圍的振動和雜訊。

接下來使用下圖來介紹步進馬達微步驅動的工作原理。該圖是兩相雙載子結構，按照簡單的線圈切換，步距角應該為90°，但下圖是將其均分為四的1/4微步驅動範例。當使馬達按90°的1/4 = 22.5°旋轉時，各線圈的電流和磁場如①～⑤的順序所示。

• ①
• ・使電流從線圈1的左側流入，從線圈1的右側流出。
• ・勿使電流流過線圈2。
• ・此時，左線圈1的內側變為N，右線圈1的內側變為S。
• ・中間的永磁體* 被線圈1的磁場吸引，變為左側S和右側N的狀態並停止。
• ・假設當線圈電流為Io時，產生的磁場大小為M0。
  * 為了避免圖片過於繁雜，未在①～⑤的圖中表現出來，具體請參考右圖。

• ②
• ・若要使之從①順時針旋轉22.5°（90°的1/4），需要保持磁場強度M0並產生使永磁體在相應位置停止的磁場。
• ・要實現這個目標，只要使線圈1產生M0×cos（22.5°）≒M0×0.924的磁場，使線圈2產生M0×sin（22.5°）≒M0×0.383的磁場即可。
• ・為此，需要將線圈1的電流控制為Io×cos（22.5°）≒Io×0.924，將線圈2的電流控制為Io×sin（22.5°）≒Io×0.383。

• ③
• ・若要再向前旋轉22.5°（即從①順時針旋轉45°），需要產生相應的磁場M0。
• ・要實現這個目標，只要使線圈1產生M0×cos（45°）≒M0×0.707的磁場，使線圈2產生M0×sin（45°）≒M0×0.707的磁場即可。
• ・為此，需要將線圈1的電流控制為Io×cos（45°）≒Io×0. 707，將線圈2的電流控制為Io×sin（45°）≒Io×0.707。

• ④
• ・若要再向前旋轉22.5°（即從①向前旋轉67.5°），同樣需要產生相應的M0。
• ・要實現這個目標，只要使線圈1產生M0×cos（67.5°）≒M0×0.383的磁場，使線圈2產生M0×sin（67.5°）≒M0×0.924的磁場即可。
• ・為此，需要將線圈1的電流控制為Io×cos（67.5°）≒Io×0.383，將線圈2的電流控制為Io×sin（67.5°）≒Io×0.924。

• ⑤
• ・若要再向前旋轉22.5°（即從①旋轉90°），需要使電流Io通過線圈2，並使線圈1中的電流為0。

如上所述，磁場的大小恒定、根據角度控制流過各線圈的電流來形成磁場、並透過任意步距使轉子旋轉和停止的工作稱為“微步驅動工作”。

該圖是將90°均分為四的1/4步進的步進馬達的驅動範例，不過目前已經可以實現1/32步進驅動。如前所述，步進馬達透過微步驅動可進行微小角度位置控制並減少雜訊和振動。