一、引言

在控制系統中，執行器（Actuator） 是接收來自控制電路或信號輸入的裝置，用于驅動某種機械輸出或物理動作，例如運動、轉動或開關操作。
執行器可以通過電能、液壓或氣動等多種形式獲得能量。

在電子控制系統中，最常用的執行器是電動機（Motor），它能將電能轉換為機械能，并以旋轉運動或線性運動形式輸出。
電機根據其控制方式、結構與供電特性，可分為：

• 直流電機（DC Motor）；

• 交流電機（AC Motor）；

• 步進電機（Stepper Motor）；

• 伺服電機（Servo Motor）等。

在自動化控制領域，直流電機（DC Motor） 因其轉速可精確控制、響應快、易于驅動而被廣泛使用。
而步進電機（Stepper Motor） 則因其角度可離散控制、適合數字脈沖輸入而成為開環系統的理想選擇。

二、直流電機的原理與構造

直流電機的基本原理基于電磁感應定律。
當通電導體置于磁場中時，會受到垂直于電流方向與磁場方向的力（即弗萊明左手定則所示方向）。
這種力在導體上產生轉矩，從而使轉子旋轉。

同時，當導體運動時，也會在其兩端感應出電壓（反電動勢 Back EMF），其大小與轉速成正比，方向與電源電壓相反。

直流電機主要由兩部分組成：

1. 定子（Stator）：提供磁場，通常由永磁體或勵磁線圈構成；

2. 轉子（Rotor）或電樞（Armature）：通電后產生轉矩，使電機旋轉。

(1) 電磁力與轉矩公式

假設電樞繞組中流過電流 IaI_aIa，磁通密度為 $B$，導體長度為 $l$，位于磁場中長度為 $r$ 的轉子上，則其受到的力為：

F=BIalF = B I_a lF=BIal

該力產生的轉矩為：

T=Fr=BIalrT = F r = B I_a l rT=Fr=BIalr

綜合導體數量及有效磁場后，可得電機的轉矩方程：

T=Kt×IaT = K_t times I_aT=Kt×Ia

其中：

• $T$：電磁轉矩；

• KtK_tKt：電機轉矩常數；

• IaI_aIa：電樞電流。

(2) 電機電壓方程

當電機轉動時，產生的反電動勢（Back EMF）為：

Eb=Ke×ωE_b = K_e times omegaEb=Ke×ω

其中：

• EbE_bEb：反電動勢；

• KeK_eKe：反電動勢常數；

• $\omega$：角速度（rad/s）。

因此，電機的電壓平衡方程為：

V=Eb+IaRaV = E_b + I_a R_aV=Eb+IaRa

即輸入端電壓 $V$ 等于反電動勢 EbE_bEb 與電樞電阻壓降 IaRaI_a R_aIaRa 之和。
這說明電機的轉速與輸入電壓成正比，而與負載電流成反比。

三、直流電機的控制方式

直流電機的速度可通過以下三種方式控制：

1. 調節輸入電壓（Armature Voltage Control）：改變供電電壓，直接影響轉速；

2. 調節磁場強度（Field Control）：通過改變勵磁電流調整磁通量；

3. 脈寬調制（PWM Control）：利用占空比控制電機平均輸入功率。

其中，PWM 調速 是最常見且高效的電子控制方法。

(1) PWM 調速原理

PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調制）是一種通過改變信號占空比（高電平時間與周期比值）控制平均電壓的技術。
對直流電機而言：

• 高占空比（如 90%） → 電機高速旋轉；

• 低占空比（如 20%） → 電機低速旋轉。

若周期恒定、僅占空比變化，則電機可在全速范圍內平滑調速。
PWM 控制的優勢在于：

• 功率損耗小（開關器件工作于飽和或截止狀態）；

• 可由單片機直接輸出控制信號；

• 可輕易實現閉環控制（與速度反饋結合）。

(2) 電機驅動電路——H 橋結構

直流電機在控制電流方向時，通常采用H 橋（H-Bridge）電路。
其由四個開關元件（晶體管或 MOSFET）組成，構成“H”字形結構：電機為橫桿，四開關為豎桿。

H 橋可實現三種主要狀態：

• 正轉（Q1、Q4 導通）；

• 反轉（Q2、Q3 導通）；

• 停止或制動（全關或短路制動）。

H 橋在實際控制中常加入續流二極管（Flyback Diode），用于吸收電機電感產生的反向電壓尖峰，保護功率管。

(3) 電機驅動器與邏輯接口

單片機無法直接驅動電機線圈（電流不足），因此通常使用驅動芯片：

• L293D / L298N：雙通道 H 橋，支持雙向控制；

• DRV8833、TB6612FNG：高效率 MOSFET 驅動，適合 PWM 調速；

• ULN2003：晶體管陣列，常用于低壓電機與繼電器控制。

這些驅動器可與微控制器（Arduino、Raspberry Pi、STM32 等）直接通信，實現方向與速度調節。

(4) 電機反電動勢與能量回饋

當電機在高慣量負載下減速時，其轉子仍因慣性而繼續旋轉，此時電機會像發電機一樣在端口產生反電壓。
若系統未設計回饋通路，這個電壓會損壞驅動器件。
解決方式包括：

• 使用二極管箝位；

• 采用再生制動電路（Regenerative Braking），將能量回收至電源端；

• 或通過 PWM 制動實現安全停機。

四、直流電機的分類與特性

現代電子系統中多采用 永磁直流電機（PMDC），因其無需勵磁線圈，適合低壓、便攜設備。

(5) 速度–轉矩特性

直流電機的負載特性曲線表明：

• 當負載增加（電樞電流上升），轉速略降；

• 反電動勢降低，維持功率平衡；

• 過載時電流急增，需加保護電路（如限流或熱保護）。

這類線性關系使得直流電機在閉環速度控制中極為易用。

第二部分：步進電機（Stepper Motor）

一、步進電機的基本概念

步進電機（Stepper Motor） 是一種能夠將數字脈沖信號直接轉換為機械角位移的電機。
每當接收到一個輸入脈沖信號，電機便旋轉一個固定角度（稱為“步距角”），由此可實現精確的角度控制。

由于步進電機的輸入信號是離散脈沖形式，因此它非常適合與數字邏輯或微控制器系統配合使用。
它常被用作開環控制系統的執行機構，可在無需反饋的情況下實現位置與速度控制。

二、步進電機的工作原理

步進電機通常由一個帶齒的轉子和多個定子線圈組成。
控制器按一定的**相序（Phase Sequence）**依次給各線圈通電，從而在定子周圍形成旋轉磁場。
轉子在磁場作用下逐步移動，使每個脈沖對應一個固定角度的旋轉。

例如，當 A、B、C、D 四個相繞組按順序激勵時，轉子將順時針旋轉；
若相序反轉（D→C→B→A），則轉子反向旋轉。

步距角計算公式：

θ=360°n×mtheta = frac{360°}{n times m}θ=n×m360°

其中：

• $n$：定子相數（Phase Number）；

• $m$：轉子齒數（Teeth Number）。

舉例：若電機為四相 50 齒，則每步旋轉角度：

θ=360°4×50=1.8°theta = frac{360°}{4 times 50} = 1.8°θ=4×50360°=1.8°

即每接收一個脈沖信號，電機旋轉 1.8°。

三、步進電機的類型

步進電機根據磁路結構與驅動方式的不同，可分為以下三種主要類型：

混合式步進電機（Hybrid Stepper Motor） 是目前應用最廣的型號，尤其在 3D 打印機、CNC 機床、精密儀器中被廣泛使用。

四、步進電機的勵磁方式

(1) 單極性驅動（Unipolar Drive）

每相繞組有中心抽頭，通過單向電流產生磁場。
這種結構無需切換電流方向，只需依次通斷線圈即可產生旋轉磁場。

優點：

• 驅動電路簡單；

• 易于控制；

• 可用晶體管陣列（如 ULN2003）直接驅動。

缺點：

• 線圈的一半繞組在任意時刻未被使用，效率較低。

(2) 雙極性驅動（Bipolar Drive）

每相線圈無中心抽頭，必須改變電流方向才能實現極性反轉。
控制電路通常為 H 橋結構，使用 MOSFET 或晶體管陣列控制。

優點：

• 所有繞組都參與工作，磁場更強；

• 扭矩較大，精度更高；

• 更適合高性能系統。

缺點：

• 驅動電路復雜；

• 需專用芯片（如 L298、DRV8825、A4988）控制。

五、步進電機的驅動方式

根據每步的激勵線圈數量與順序，可分為以下幾種常見驅動模式：

(1) 半步驅動示例（以四相為例）

這種激勵方式下，每兩步為一個完整周期。相序反轉即可改變旋轉方向。

(2) 微步驅動（Microstepping Drive）

微步控制通過改變各相線圈電流的幅度比例（通常為正弦/余弦波形），使轉子能在相鄰磁場間平滑移動。

例如：
當 A 相電流為 IA=Imaxsin?(θ)I_A = I_{max} sin(theta)IA=Imaxsin(θ)，
B 相電流為 IB=Imaxcos?(θ)I_B = I_{max} cos(theta)IB=Imaxcos(θ)，
轉子在磁場旋轉下可實現任意角度定位。

優點：

• 減小振動與噪聲；

• 提高分辨率（最高可達每步 1/256）；

• 有效避免共振。

六、步進電機的速度與脈沖關系

電機的轉速與輸入脈沖頻率直接相關：

N=fpnN = frac{f_p}{n}N=nfp

其中：

• $N$：轉速（rps，轉/秒）；

• fpf_pfp：輸入脈沖頻率（Hz）；

• $n$：每轉步數（Steps per Revolution）。

例如，一臺 1.8° 步距角電機每轉需 200 步，若輸入 1000 Hz 脈沖，則：

N=1000200=5 rps=300 rpmN = frac{1000}{200} = 5 text{ rps} = 300 text{ rpm}N=2001000=5 rps=300 rpm

七、步進電機的動態特性

1. 起動頻率（Start Frequency）
   電機能從靜止狀態立即啟動的最高脈沖頻率。
   若頻率過高，轉子可能無法同步，導致丟步。

2. 最大響應頻率（Pull-in Range）
   能從靜止狀態直接響應的頻率范圍。

3. 跟隨范圍（Pull-out Range）
   電機在運轉狀態下仍能跟隨輸入脈沖變化的最高頻率。

4. 共振區間
   電機機械系統固有頻率與脈沖頻率接近時，會發生機械振動與噪聲。
   微步驅動與阻尼電路可有效抑制此現象。

八、步進電機的控制電路

(1) 控制信號生成

微控制器通過輸出脈沖序列控制步進驅動器的方向與速度。
常見接口信號包括：

• STEP（步進信號）：每個脈沖對應一步；

• DIR（方向信號）：控制正轉或反轉；

• EN（使能信號）：允許或禁止驅動輸出。

(2) 常用驅動芯片

九、步進電機的優缺點

優點：

• 無需反饋即可實現精確位置控制；

• 啟停響應迅速；

• 保持力矩大；

• 控制方式數字化、易編程；

• 可靠性高，無刷、壽命長。

缺點：

• 容易產生共振；

• 在高速運行時轉矩下降；

• 若負載過大可能丟步；

• 能耗高，發熱較大。

第三部分：直流電機與步進電機的比較及執行系統應用

一、直流電機與步進電機的特性比較

在自動控制系統中，直流電機（DC Motor）與步進電機（Stepper Motor）常作為執行器使用。
兩者的選擇取決于系統對速度、精度、成本與控制復雜度的要求。

下表為兩種電機的主要性能對比：

總結：

• 若系統要求連續旋轉與快速響應 → 選用直流電機。

• 若系統要求精確定位與數字控制 → 選用步進電機。

二、電機在自動控制系統中的接口與信號處理

無論直流電機還是步進電機，都需要電子接口電路來實現與控制器（如 MCU 或 PLC）的連接。
常見控制信號包括方向、啟停、速度與反饋量。

(1) 直流電機接口

直流電機通常通過以下結構實現控制：

• 微控制器輸出 PWM → 經驅動芯片（L298N、DRV8833） → 控制電機正反轉與速度；

• 電流檢測電阻用于監控負載狀態；

• 若為閉環控制，則編碼器信號反饋至 MCU 進行 PID 調節。

(2) 步進電機接口

步進電機驅動器接受控制器發出的兩種信號：

• STEP（步進信號）：每個脈沖對應一個步距角；

• DIR（方向信號）：確定旋轉方向。
  驅動器根據設定的細分模式（Full/Half/Microstep）產生相應相序，輸出至電機繞組。
  部分高端驅動器還可接收加速、減速曲線或速度命令。

三、步進電機與直流伺服電機的比較

在高精度控制領域，常將步進電機與帶反饋的直流伺服電機進行比較。

四、驅動與保護設計要點

(1) 電機過流與過熱保護

• 在驅動電路中加入電流檢測電阻；

• 使用運算放大器或比較器限制電流；

• 熱敏傳感器或溫控芯片用于監測繞組溫度。

(2) 電磁干擾（EMI）抑制

• PWM 調制時需使用緩沖電路與濾波電容；

• 布線時應將電機供電與信號線分離；

• 對步進驅動器，應加裝 RC 濾波與屏蔽電纜。

(3) 反饋與控制算法

• 對直流電機使用PID 控制算法進行速度調節；

• 對步進電機，可實現**加減速曲線控制（Trapezoidal / S 曲線）**以防失步；

• 高級系統可使用**FOC（Field-Oriented Control）**算法實現更高精度。

五、典型應用實例

1. 機器人驅動系統

• 步進電機用于關節定位與機械臂精確旋轉；

• 直流電機用于車輪驅動與移動控制；

• 兩者結合形成完整運動控制系統。

2. 數控機床（CNC）與 3D 打印機

• 步進電機驅動 X、Y、Z 軸，實現精密位移；

• 微步驅動消除共振并提高表面加工質量。

3. 自動門與智能窗系統

• DC 電機配合限位開關實現啟閉控制；

• PWM 調速實現柔性啟停。

4. 醫療儀器與實驗設備

• 步進電機控制注射泵、微量分液器或顯微平臺；

• 保證定量精度與重復性。

5. 新能源與工業設備

• DC 電機用于小型風力系統、冷卻泵、風機；

• 步進電機用于太陽能跟蹤器與定位平臺。

六、電機驅動的信號調理與放大

傳感器與控制系統間的接口通常包括信號放大、濾波與隔離。
對執行電機而言，驅動級需要將微控制器的低功率信號放大到足以驅動線圈的電平。
常見信號調理模塊包括：

• 光耦隔離模塊（Optocoupler Board）；

• 電流檢測與反饋放大器；

• 晶體管陣列或 MOSFET 驅動模塊；

• 保護二極管陣列吸收反向電動勢。

對于步進電機控制器，還需設計合適的加速與減速曲線（Ramp Generator），以保證電機平滑啟動。

七、直流電機與步進電機的綜合優缺點總結

八、未來發展趨勢

1. 融合型驅動技術

• 混合式電機（Hybrid Motor）結合步進與伺服特性，實現高精度與高響應。

2. 智能控制與自學習算法

• 通過 AI 與數據建模優化驅動參數，實現自適應調速。

3. 系統集成化

• 電機、驅動與控制器一體化模塊成為智能制造標準組件。

4. 高效功率電子技術

• 采用 GaN、SiC 器件實現高頻低損耗開關控制。

【編輯點評】

1. 技術意義與發展背景
直流電機與步進電機是電子控制系統最基礎、最成熟的兩類執行機構。
從傳統的機械驅動到智能化控制，它們的應用貫穿了工業自動化、機器人、能源裝備及精密儀器等多個領域。
兩者的技術演進體現了機電系統從模擬功率控制 → 數字化 → 智能驅動的過程。

2. 工程應用趨勢

• 直流電機（DC） 仍是連續運動控制的首選，適用于需要快速響應的場景；

• 步進電機（Stepper） 因具備“天然數字化”特征，成為開環定位與智能硬件的首選執行器；

• 智能驅動芯片與微步算法 的普及，讓步進電機運行更平滑、安靜，精度更高；

• 無刷直流（BLDC） 與 閉環步進系統 的融合，正在模糊兩類電機的界限。

3. 行業展望
EEPW 認為：
未來電機控制的發展方向將集中于以下三點：

• 智能化：具備故障診斷、溫控與自校準功能的電機模塊；

• 高能效：結合能量回饋與低損耗功率器件；

• 通信與集成：通過 CAN、RS485、EtherCAT 等工業總線實現“即插即控”執行單元。

電機已不再只是能量轉換器，而是具備感知 + 控制 + 通信能力的智能執行系統。
直流與步進電機的融合與升級，將成為未來智能制造與機器人控制體系的核心支撐。