崑 山 科 技 大 學

電子工程系 二技部

專 題 研 究 報 告

步進馬達 PWM 驅動

控制電動車

學生: 林承毅 C941K014

黃招溶 C941K016

指導教授: 歐金池 老師

摘 要

此次專題是針對步進馬達之特性，再加上 MCS-51 單晶片之

功能，及 PWM 直流馬達控制，三者加以互相結合以其設計出

一套步進馬達之控制系統.以下即是這報告中各章節的內容

重點說明:

第一章 導論: 說明本專題的設計動機及目的

第二章 步進馬達之簡介: 介紹步進馬達的原理，激磁方

式，驅動電路及其特性

第三章 PWM 控制說明: 介紹直流馬達 PWM 的控制

第四章 實作情形: 介紹實作情形

第五章 參考資料

第六章 附錄

I

目 錄

摘要......................................................I

圖表目錄................................................III

第一章導論................................................1

第二章步進馬達之簡介......................................2

2-1 步進馬達的特性...............................2

2-2 步進馬達的種類...............................2

2-3 步進馬達的用途...............................3

2-4 步進馬達的激磁方式...........................4

2-5 步進馬達的驅動電路...........................8

第三章 PWM 控制說明.......................................10

第四章 實作情形..........................................18

第五章 參考資料..........................................27

第六章 附錄..............................................28

II

圖 表 目 錄 圖2-1 四相步進馬達內部結構圖..............................3

圖2-2 一相/二相激磁方式...................................5

圖2-3 一相激磁時序圖......................................6

圖 2-4 二相激磁時序圖.....................................6

圖 2-5 一~二相激磁方式....................................7

圖2-6 一~二相激磁時序圖...................................8

圖 2-7 步進馬達驅動電路圖.................................9

圖 2-8 步進馬達驅動 IC-FT5754 接腳圖.......................9

圖 3-1 線性電壓驅動電路..................................10

圖 3-2 波寬調變(PWM)的輸出波形...........................11

圖 3-3 單向與雙向直流馬達控制架構........................12

圖 3-4 雙向直流馬達正反轉控制電路........................12

圖 3-5 (a)小功率直流馬達控制電路.........................13

圖 3-5 (b)小功率直流馬達控制電路燒燬工作圖...............13

圖 3-6 具保護功能小功率直流馬達控制電路工作圖.............15

圖 3-7 (a)PWM 馬達速度控制器.............................17

圖 3-7 (b) 時間圖形......................................17

III

圖 4-1 PWM 脈波產生器....................................18

圖 4-2 馬達控制實驗電路..................................19

圖 4-3 數位電源供應器....................................20

圖 4-4 電瓶..............................................21

圖 4-5 直流馬達單體......................................22

圖 4-6 實際應用車身本體..................................23

圖 4-7 車身本體與實驗電路結合，但不含 PWM 控制............24

圖 4-8 車身本體與實驗電路結合，含 PWM 轉速控制............25

IV

第一章 導論

電機機械為工業發展不可或缺的要素，特別是馬達佔有很重要的地位.

但是一般的馬達是連續運轉的，對負載而言，其動力的傳達是靠離合

器(clutch)作 ON-OFF 的動作，目前以生產工廠自動化，省力化為目

標的 FA(Factory automation，工廠自動化的簡稱)，以及操作機器

人(Robot)所使用的馬達，需考慮到電功率，耐環境性、價格及壽命

等因素、同時對於決定位置之精確度、小型化及省能源等方面也必須

注重。

而且，以事務處理作業合理化及處理能力擴大為目標的 OA(office

automation，辦公室自動化的簡稱)，以及資訊終端機所使用的馬達，

更是要求小型化，速應性，定速性，啟動時間，分解能力及位置的精

確性.步進馬達便是在此一環境下所產生出來的新型馬達。利用脈波

信號做數位式的旋轉，是最主要的特性。

另外，由於 MCS-51 單晶片其功能強大，使用簡易，取得方便等優點.

因為如此，我才會興起想運用單晶片之簡單使用之特性，來與步進馬

達相結合，以期能設計出一套步進馬達控制系統，來對步進馬達能做

到控制之目的，使其能廣泛且靈活地使用於工業用途上、以期能達到

工業自動化的目的。而這就是我做此次專題的動機及目的所在。

1

第二章 步進馬達之簡介

2-1 步進馬達的特點

步進馬達有以下之特點:

1. 旋轉的角度和輸入的脈波數成正比，因此用開迴路控制及可達

成高精確度。

2. 啟動.停止.正反轉的應答性良好，控制容易。

3. 每一步級的角度誤差小，而且沒有累積誤差。

4. 靜止時，步進馬達有很高的保持轉矩(Holding Torque)，可保

持在停止的位置，不需使用煞車迴路就不會自由轉動。

5. 可靠性高，整個系統的價格低。

2-2 步進馬達的種類

步進馬達依定子線圈的相數不同可分成二相，三相，四相及五相式，

小型步進馬達以四相式較為普遍.圖 2-1 即為四相步進馬達的內部接

線圖.每當送入一個脈衝電流至步進馬達，可在相對應處停止轉動，

這種走一步即停住而得到的角度稱為基本步進角。

步進角會因激磁方式不同而有所不同。

基本步進角的計算公式如下:

基本步進角=360 度/(相數 * 轉子齒數)

2

例如:四相 50 尺的基本步進角為 360 度/(4 * 50)=1.8 度

也就是說，四相 50 齒的步進馬達走 200 步正好是一圈。一般的小型

步進馬達齒數為 50 齒較多。

圖 2-1 四相步進馬達內部結構圖

2-3 步進馬達的用途

由於使用步進馬達，無論是作定速轉速，變速轉速，角度控制或位

置控制均可免除繁雜的機械結構，使產品達成小型化，響應速度快，

定速，解析度高，定位準確等要求、因此步進馬達被大量的使用在自

動化方面。

以下即是一些典型的應用:

1. 硬式磁碟機-----磁頭定位

3

2. 軟式磁碟機-----磁頭定位

3. 印表機-----紙張傳送，印字頭驅動，色帶驅動

4. 傳真機-----紙張傳送

5. 影印機-----紙張傳送

6. 紙帶閱讀機-----紙帶傳送

7. 讀卡機-----卡片傳送

8. 定長切割機-----定長輸出

9. xy 工作站-----xy 軸定位

10. 血液分析儀-----試紙傳送

11. 機械手臂-----定位控制

12. 放電加工機-----xy 軸定位

2-4 步進馬達的激磁方式

所謂激磁極是令步進馬達的線圈通過電流，以四相步進馬達而言，其

定子線圈共有四個相，分別為 A，/A，B及/B

步進馬達的激磁方式有下列三種方式:

1. 一相激磁:每次另一個線圈通過電流、步進角等於基本步進角，

消耗電力小，角精確度好，但轉矩小，振動較大、及激磁方式及

時序如圖 2-2 圖 2-3 所示。

4

圖

2-2 一相/二相激磁方式

5

圖 2-3 一相激磁時序圖

2. 二相激磁:每次令兩個線圈通電、步進角等於基本步進角。轉矩

大、振動小、是目前較受普遍採用的激磁方式.其激磁方式及時

序如圖 2-2 及 2-4

圖 2-4 二相激磁時序圖

3. 一~二相激磁:一~二相激磁又稱為半步激磁，採用一相及

二相輪流激磁;每一步進角等於基本步進角的 1/2，因此解析度提高

6

一倍，且運轉更為平順，和二相激磁方式同樣受到普遍採用。

其激磁方式及時序如圖 2-5 及圖 2-6 所示。

圖 2-5 一~二相激磁方式

7

圖 2-6 一~二相激磁時序圖

2-5 步進馬達的驅動電路

一個四相式步進馬達需要使用四個電功率達寧頓電晶體來推動，如

圖 2-7 所示。目前市面上也有販售四個達寧頓包裝在一起的高功率達

寧頓 IC，其型號為 FT5754;其內部的四個達寧頓，各有 3A 的推動能

力。如圖 2-8 即為 FT5754 內部電路的等效電路以及外部接腳圖。

8

圖 2-7 步進馬達驅動電路圖

圖 2-8 步進馬達驅動 IC-FT5754 接腳圖

9

第一章 直流馬達 PWM 的控制

直流馬達的控制，最簡單的方法就是使用電壓驅動電路，應用運算

放大器作為線性驅動電路來推動直流馬達，如圖 3-1 所示。

線性放大器的控制特性，其輸出電壓(Vout)和輸入電壓(Vin)成正

比。而由輸出的正/負電壓來控制馬達正/反轉，同時電壓的高低則決

定其運轉的速度。

但是線性放大器的能量效率是非常低，例如運算放大器的工作電壓為

+-12v，但在低速工作時，卻只有極小的電壓會輸出，這其中大部分

將被浪費掉而轉換為熱能，使得驅動即發燙。

10

若要控制馬達的速度，以波寬調變電路(PWM:Pulse Width

Modulation)是最佳的選擇，他是以電路的全開(on)和全關(off)來設

計電路，工作時損耗極低，所以有很高的能源效率。

如圖 3-2 所示。

PWM 輸出的波形以「高電位」的工作週期時間比率越高時，馬達速

度越快。故以程式控制其輸出的「高電位」工作週期，即可設定輸出

的「平均電壓」來調整馬達的速度，平均電壓的定義

如下:

平均電壓=工作週期*電源電壓=HI(HI+LO)*電源電壓工作於

全開或全關狀態的電路，只要使用最基本的開關放大器即可。如圖

3-3 所示:

11

其中單向控制結構只能控制馬達做單放向運轉，而由 PWM 方式控制馬

達的轉速。雙向控制除了速度外，還可以控制正反轉，如此可以用來

做位置控制用。如圖 3-4 所示:

12

直流馬達 PWM 控制電路

在實際應用上，直流馬達的控制電路如圖 3-5(a)所示，此電路適

合小功率的直流馬達控制，由 PNP 電晶體配合 UN2003 的集極開路特

性，形成四個橋式電子開關，其限制為 VDD+-32V，電流=0.5A 以下。

也可用一般的玩具馬達來進行實驗，此時 Q1 及 Q2 可改用更小功率的

PNP 電晶體如 2N4355 等。

當 MO1=0 及 MO2=1 時，會令 Q1=ON 及 Q2=OFF 使馬達正轉，動作如圖

3-5(b)所示。若由 MO1 輸入 PWM 波形，則可控制其轉速。反之若 MO1=0

及 MO2=1 時，會令 Q2=ON，Q1=OFF 使馬達反轉。

13

此電路有個缺點，當 MO1=1 及 MO2=1 時，會令 Q1 及 Q2 導通，此時

電流不會經過馬達，而直接由 VDD 流過導通的電晶體及 UN2003 到地

線，形成電源短路，此大量的電流會將元件燒毀，如圖 3-5(b)所示。

為避免同時令 Q1=ON、Q2=ON，而改良上述電路的缺點，如圖 3-6 所

示。以 DIR 角做為正反轉控制，而由 PWM 腳提供 PWM 波形控制速度，

當 PWM 波形控制速度，當 PWM=0 時馬達會停止運轉。

14

PWM 馬達速度控制器

如圖 3-7(a)所示為一 PWM 馬達速度控制器。計時器 555 與一些附屬

零件組成不穩太多諧振盪器，產生固定的時間週期與可變的輸出脈

波，即可作為脈衝寬度調制 PWM 電路。當輸出第 3 腳低電位時，C1

充電迴路為 R1、R2 與 D1、C1 充電至 2/3V+時，輸出轉為高電位，C1

放電迴路為 D2、R3 與 R2，C1 放電至 1/3V+時，C1 又重新充電，而後

週而復始。

圖 3-7(b)所示為時間圖形，Q1 輸出波形與 555 輸出波形相反。

輸出電壓準位也因加入的供電大小而異。

15

充電週期為:

Ton=Tc=0.693(R1+R2)C1

放電週期為:

Toff=TD=0.693(R3+R2)C1

時間週期為:

T=0.693(R1+R2+R3)C1

T 為固定的時間週期，不受 R2 的調整而改變，而 Ton 與 Toff 可以隨

R2 的調整而變化。其工作週期為(Ton)/(Ton+Toff)，可變範圍為整

個時間週期的 5%至 95%。整個時間週期應約為馬達機械時間長數兩

倍，C1 電容量的選擇應視馬達的大小而定，0.1~10μF，若 C1 採用

0.1μF，則 T 約為 0.0038 杪，頻率為 2.63Hz。改變 R1、R2 和 R3 亦

可改變 T，但 R1 與 R3 不可小於 1K 歐姆。

555 定時器沉入電流為 200Ma，此電流適用於小型馬達，但如欲控制

DC 電流幾安培的負載，則必須加入高功率推動電晶體 Q1 由 IC1 的輸

出做導通與截止的交替工作，猶如一個開關來控制馬達，D3 作用為

保護Q1不受轉子線圈兩端感應電動勢的損壞與在Toff期間和馬達分

流。C4 為使馬達工作穩定，但數值太大會使馬達工作遲鈍。

16

如欲作 DC 燈調光器，可將 D3 省略，以燈代替馬達。如欲作 AC 燈調

光器，則 Q1 改用 TRIAC 即可。

17

第二章 實作情形

實作情形的截圖，如下:

(a) PWM 脈波產生器

V 為輸入+5V

G 為接地

P1 控制馬達正轉速度

P2 控制馬達反轉速度

18

(b) 馬達控制實驗電路

我們使用功率電晶體 MJ2955 以便驅動較大功率馬達，

實驗中先以小顆馬達代替

19

(c) 數位電源供應器

圖 4-3

20

(d) 驅動馬達和車體之 12V，36W 電瓶

圖 4-4

21

(e) 直流馬達單體

圖 4-5

22

(f) 實際應用車身本體

圖 4-6

23

(g) 車身本體與實驗電路結合，但不含 PWM 控制

圖 4-7

24

(h) 車身本體與實驗電路結合，含轉速控制

圖 4-8

25

討 論

在本次實驗中，一開始設定為使用步進馬達做驅動來源，後來因

為步進馬達轉速不足，所以改用直流馬達代替，再以 PWM 配合直流馬

達之轉速控制。

起初在直流馬達控制電路上的低功率電晶體 9012 只能夠趨動低

功率直流馬達，所以改用中功率電晶體 MJE 2955E 來試驗較高功率的

直流馬達，發現無法提供直流馬達所需之功率，造成電晶體過熱燒

毀，最後改用高功率電晶體 MJ 2955 才順利解決電晶體輸出功率符合

馬達所需之功率且不會過熱。

26

第三章 參考資料

書名:單晶片 MCS-51 與 C 語言入門實習

作者:董勝源

出版社:宏友圖書開發股份有限公司

書名:步進馬達應用技術

作者:陳熹棣

出版社:全華科技圖書股份有限公司

書名:工業電子實習與應用

作者:蔡加春

出版社:標高圖書儀器有限公司

書名:數位邏輯實習

作者:許澤燦、趙淑蓉

出版社:展維出版社

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第四章 附錄

元件表

7404 * 2

7408*2

IC 控制部份

ULN2003*2

電阻 2.2k * 8

二極體 * 8

高功率電晶體 MJ 2955 * 8

中功率電晶體 MJE 2955E * 8

低功率電晶體 9012 * 8

馬達控制電路部份

彈跳開關 * 8

陶瓷電容 104 * 3

GLC556 * 1

二極體 * 4

電阻 2.2k * 4

可變電阻 50k * 1 、100k * 1

PWM 脈波控制部份

電容 10 μF * 1

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