崑 山 科 技 大 學

電子工程系二技部

專 題 研 究 報 告

步進馬達暨 PWM驅動

控制電動車

學生：

倪士平

陳慶芳

蔡依達

指導教授： 歐金池 老師

中 華 民 國 九 十 五 年 五 月

電崑

子山

系科

二技

技大

部學

步

進

馬

達

暨

P

W

M

驅

動

控

制

電

動

車

倪陳

士慶

平芳

蔡

依

達

撰

九

十

五

年

五

月

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 步進馬達的特點..............................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欠缺的要素，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、起動時間、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，因此用開迴路控制即可

達成 高精確角度。

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。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°/(相數×轉子齒數)

例如:四相50尺的基本步進角為360°/(4×50)=1.8°

2

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。

2-3 步進馬達的用途

由於使用步進馬達，無論視作定速轉速、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

所謂激磁即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：每次令一個線圈通過電流。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。其激磁方式

及時序如圖2-2及圖2-3所示。

4

5

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，是目前較受普通採用的激磁方式。其激磁方式

及時序如圖2-2及2-4所示。

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。

7

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

9

第三章 直流馬達 PWM 的控制 直流馬達的控制，最簡單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，

這其中大部份將被浪費掉而轉換為熱能，使得驅動級發燙。

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，它是以電路的全開（ON）和全關(OFF)

來設計電路，工作時損枆極低，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愈高時，

馬達速度愈快。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。雙向控制除了速度之外，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 腳做為正反轉控制，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態多諧振盪器，產生固定的時間週期與可變

的輸出脈波，即作為脈衝寬度調制 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）所是為其時間圖形，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％。整個時間周期應約為馬達

機械時間常數兩倍，C1電容量的選擇應視馬達的大小而定，0.1~10

μF，若 C1 採用 0.1μF，則 T 約為 0.0038 秒，頻率為 263Hz。若

C1 採用 10μF，則 T 約為 0.38 秒，而頻率為 2.63Hz。改變 R1、

R2 和 R3 亦可改變 T，但 R1 與 R3 不可小於 1kΩ。

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

第四章 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

圖 4-1

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

圖 4-2

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 PWM 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只能夠驅動

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

第五章 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

27

第六章 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 10μF * 1

28

專題報告封面.doc摘要.doc報告書.doc