CN105245037A - 无铁芯步进马达及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无铁芯步进马达及其控制方法，其中，该无铁芯步进马达包括一定子组、一转子组、一枢轴、一壳体、一盖体及一板体。定子组是由三组线圈所组成，三组线圈分别为一第一相线圈、一第二相线圈及一第三相线圈。定子组的第一相线圈、第二相线圈及第三相线圈分别围绕转子组。枢轴枢接于转子组。壳体用以容纳定子组及转子组。盖体连接于壳体的一端。板体相对于盖体而连接于壳体的另一端。本发明可以克服定位扭矩或顿转扭矩的问题，且上述无铁芯步进马达可以提高转动的步进角度的精密度及降低其振动量。

Description

无铁芯步进马达及其控制方法

技术领域

本发明是为一种无铁芯步进马达及其控制方法，特别是一种运用于伺服机上的无铁芯步进马达及其控制方法。

背景技术

由于步进马达可被程序化精密控制，所以，步进马达已被广泛应用在许多领域中。例如精密机械、机动车辆用仪表及部件、自动启闭门窗或其他自动控制设备等伺服机上。而步进马达的种类依照结构可分成三种：永久磁铁PM式(permanentmagnettype)、可变磁阻VR式(variablereluctancetype)、以及复合式(hybridtype)，目前市面上以二相的步进马达为应用最广。

然而，一般传统二相步进马达往往都具有转矩涟波大和高顿转扭矩的问题，因而造成过大的震动和噪音并降低步进马达步进角度的精密度。一般所属技术领域普通技术人员往往会在定子组装设硅钢片，借此提升一般步进马达转动的效率。但是，硅钢片制成的定子齿往往会有较大的电感和顿转扭矩，因此容易造成系统震动而产生噪音与马达带宽不足的问题，另定子齿的制造公差也会降低一般步进马达的步进角度的精密度。

发明内容

本发明在于提供一种无铁芯步进马达及其控制方法，本发明因通过由三相的线圈组成的定子组，所以转矩涟波可以大幅降低，也因为其为无铁心，降低定子组的电感量，所以也能提高步进马达的频率响应，加上零顿转扭矩的特性，使得步进角误差降低，甚至未来如果要提高马达效率，可以因此采用最高磁能积的磁铁，不会因为有定子铁心，造成顿转扭矩过大，震动加剧的问题。

本发明实施例提出一种无铁芯步进马达，包括一定子组、一转子组、一枢轴、一壳体、一盖体及一板体。定子组是由三组线圈所组成，三组线圈分别为一第一相线圈、一第二相线圈及一第三相线圈。定子组的第一相线圈、第二相线圈及第三相线圈分别围绕转子组。枢轴枢接于转子组。壳体用以容纳定子组及转子组。盖体连接于壳体的一端。板体相对于盖体而连接于壳体的另一端。

进一步地，该无铁芯步进马达更包括一控制模块，该控制模块包括一控制单元及多个切换开关，该控制单元耦接该切换开关，且该控制单元用以控制该切换开关的导通或截止，而该第一相线圈耦接部分该切换开关，该第二相线圈耦接另一部分该切换开关，该第三相线圈耦接余下的该切换开关。

进一步地，该定子组均不具有硅钢片或铁板，而该控制模块用以控制该定子组的该三组线圈的电磁变化，以使该转子组以一第一预设转速并以一第一方向行进一预设行程，或是使该转子组以一第二预设转速并以一第二方向行进该预设行程，该第二预设转速大于或等于该第一预设转速，而该第一方向与该第二方向为相反的方向。

进一步地，该控制单元具有一第一模式及一第二模式，在该控制单元处于该第一模式时，该控制单元输出一第一控制信号给该切换开关，以控制该定子组而驱动该转子组以该第一预设转速行进该预设行程，在该控制单元处于该第二模式时，该控制单元输出一第二控制信号给该切换开关，以控制该定子组而驱动该转子组以该第二预设转速行进该预设行程，而该第一控制信号为走步脉冲信号及该第二控制信号为电压模拟信号，电压模拟信号中的电压大小正比于速度命令大小。

进一步地，在该控制单元接收到一第一位置限制器所输出之一第一通知信号时，该控制单元根据该第一通知信号而处于该第二模式，该控制单元输出该第二控制信号，以控制该定子组而驱动该转子组以该第二预设转速并以该第二方向行进该预设行程，而该第二模式为直流无刷马达控制模式。

进一步地，在该转子组以该第二预设转速并以该第二方向行进，并邻近一起始点的一预设距离时，该转子组将该第二预设转速转换为该第一预设转速，并以该第一预设转速回到该起始点，而该预设距离是指示该第二预设转速转换为该第一预设转速的缓冲距离。

进一步地，在该控制单元接收到一第二位置限制器所输出的一第二通知信号时，该控制单元根据该第二通知信号而处于该第一模式，该控制单元输出该第一控制信号给该切换开关，以控制该定子组而驱动该转子组以该第一预设转速并以该第二方向行进至该起始点，而该第一模式为步进马达控制模式，在该控制单元接收到一第三位置限制器所输出的一第三通知信号时，该控制单元根据该第三通知信号而处于一停止模式。

进一步地，该控制模块通过一全步进激磁、一半步进激磁、一四分之一全步进激磁或一N分之一全步进激磁，以控制该定子组而驱动该转子组的每步转动的步进角度，其中该N分之一全步进激磁是为该全步进激磁的N分之一，而N为1、2、4、8、16或以上的正整数，或是该控制模块通过一反电动势信号以侦测该转子组的位置，并根据该反电动势信号以控制该定子组而驱动该转子组的转动。

进一步地，该转子组具有一强力永久磁铁，该强力永久磁铁是选自一橡胶磁铁、一铁氧体磁铁、一铝镍钴磁铁、一钐钴磁铁及一钕铁硼磁铁的其中之一而该强力永久磁铁沿着一枢轴径向而设于一转子表面，该转子表面上具有多个磁极，而相邻的磁极的磁性相反，且各该磁极间距相等。

本发明实施例提出一种无铁芯步进马达的控制方法，适用于一设置无铁芯步进马达的伺服机上，无铁芯步进马达包括一定子组、一转子组及一控制模块，控制模块包括一控制单元及多个切换开关，控制单元耦接该切换开关，控制模块耦接定子组，定子组是由三组线圈所组成，三组线圈分别为一第一相线圈、一第二相线圈及一第三相线圈，第一相线圈、第二相线圈及第三相线圈分别围绕转子组，控制方法包括：判断控制单元是否处于一第一模式，若判断结果为是，则控制单元输出一第一控制信号给该切换开关，以控制定子组的第一相线圈、第二相线圈及第三相线圈的电磁变化，以使转子组以第一预设转速行进一预设行程；判断控制单元是否处于一第二模式，若判断结果为是处于第二模式，则控制单元输出一第二控制信号给该切换开关，以控制定子组而驱动转子组以一第二预设转速行进预设行程，第二预设转速一般大于或等于第一预设转速；及邻近一起始点的一预设距离，转子组将第二预设转速转换为第一预设转速，并以第一预设转速回到起始点。

在本发明一实施例中，上述无铁芯步进马达因定子组为三相，除可用步进马达控制的方式驱动外，也可切换为直流无刷马达控制的方式驱动。例如无铁芯步进马达采用步进马达控制的方式走步至预设行程的终点。无铁芯步进马达可切换为直流无刷马达控制的方式，以非常短时间复归至起始点。在这样的控制下，无铁芯步进马达快接近起始点时，可通过位置限制器来触发产生一通知信号，以使无铁芯步进马达切换为步进马达控制的方式而复归至起始点。这样的控制模式可运用于许多扫描机或复印机中。

与现有技术相比，本发明的一种无铁芯步进马达及其控制方法，具有以下有益效果：本发明的具体手段为利用无铁芯步进马达，其中三相的线圈组成的定子组因不具硅钢片，所以，定子组具有较低的电感量，而控制模块可控制此具有较低的电感量的定子组，加速线圈电流使能而产生磁力线，借此控制转子组的每步的步进角度。另控制模块轮流使能三相的线圈，以转子组得以顺利转动，借此降低涟波(ripple)。所以，本发明的无铁芯步进马达确实可克服定位扭矩或顿转扭矩的问题、提高转动的步进角度的精密度及降低无铁芯步进马达的振动量。

以上的概述与接下来的实施例，皆是为了进一步说明本发明的技术手段与达成功效，然所叙述的实施例与附图仅提供参考说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为本发明一实施例的无铁芯步进马达的分解结构图。

图2A为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的剖面示意图。

图2B为根据图2A的本发明另一实施例的无铁芯步进马达的控制模块示意图。

图2C为根据图2B的本发明另一实施例的无铁芯步进马达的控制单元示意图。

图2D为根据图2B的本发明另一实施例的无铁芯步进马达的控制单元的输出输入信号示意图。

图3A为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的运作示意图。

图3B为根据图3A的本发明另一实施例的无铁芯步进马达的运作示意图。

图4A为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的三相扭矩常数波形示意图。

图4B为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的三相电流波形示意图。

图4C为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的三相电流波形示意图。

图4D为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的三相扭矩常数及三相电流波形示意图。

图5A为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的三相扭矩常数及三相电流波形示意图。

图5B为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的相位及扭力矩波形示意图。

图6A为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的三相扭矩常数及三相电流波形示意图。

图6B为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的相位及扭力矩波形示意图。

图7为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的控制方法流程图。

其中，附图标记说明如下：

1：无铁芯步进马达

8：感测模块

11：控制模块

110：控制单元

12：定子组

121、122、123：线圈

14：转子组

140：转子表面

16：枢轴

18：壳体

20：盖体

22：板体

N、S：磁极

S0：起始点

E：行程终点

T1：预设行程

W1：第一方向

W2：第二方向

V1：前进方向

V2：后退方向

P1：第一位置限制器

P2：第二位置限制器

P3：第三位置限制器

CLK：走步脉冲信号

Dir：方向信号

Mode：模式信号

L1、L2、L3：通知信号

Mov：位移

tp1、tp2、tp3：时段

d1：预设距离

iu、iv、iw：电流波形

Ktu、Ktv、Ktw：电压波形

S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7：步阶

SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6：切换开关

X1～X5、-X1～-X5：参数

a、b、c、d、e、f、g、h：对位步阶

S701～S709：流程步骤

具体实施方式

图1为本发明一实施例的无铁芯步进马达的分解结构图。图2A为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的剖面示意图。图2B为根据图2A的本发明另一实施例的无铁芯步进马达的控制模块示意图。请参阅图1、图2A及图2B。一种无铁芯步进马达1，适用于一伺服机上，无铁芯步进马达1包括：一定子组12、一转子组14、一枢轴16、一壳体18、一盖体20、一板体22及一控制模块11。实际上，壳体18用以容纳定子组12及转子组14。枢轴16枢接转子组14，且枢轴16配置于定子组12及转子组14的同一轴心上。而盖体20及板体22分别连接于壳体18的两端。本实施例不限制无铁芯步进马达1的形式。

进一步来说，控制模块11耦接定子组12，而定子组12不具有硅钢片或铁板或其他软磁材料，而控制模块11用以控制定子组12的三相的线圈的电磁变化，以使转子组14以第一预设转速行进。第一预设转速例如为转子组14的每步转动的步进角度所构成。例如第一预设转速为一全步进、一半步进、一四分之一全步进及一N分之一全步进的其中之一或组合。当然，本实施例的无铁芯步进马达1可运用于例如散热风扇、风扇、吊扇、打印机、扫描机、复印机、缝纫机、舞台灯、摄影设备、精密机械、机动车辆用仪表及部件、自动启闭门窗或其他自动控制设备等伺服机上，本实施例不限制无铁芯步进马达1或伺服机的形式。

定子组12是由三组线圈所组成，三组线圈分别为一第一相线圈121、一第二相线圈122及一第三相线圈123。实际上，定子组12不具有硅钢片。而一般步进马达均具有硅钢片。其中硅钢片是用以作为定子组的定子齿，以使一般步进马达可更有效率的转动每步的步进角度。然而，一般步进马达的定子齿将具有步进角误差或顿转扭矩过大或频率响应不足等问题。而本实施例的无铁芯步进马达1的构造不具有硅钢片，所以，本实施例的无铁芯步进马达1可克服上述一般步进马达具硅钢片定子齿的问题。

详细来说，一般步进马达的定子组12具有较高的电感量。而较高的电感量将降低马达频率响应。另外，一般步进马达的定子组12需具有硅钢片的定子齿，将增大顿转扭矩和步进角误差的问题。反之，本实施例的定子组12的三组线圈因不具有硅钢片，所以，定子组12的线圈将具有较低的电感量，而较低的电感量将提高马达的频率响应和降低顿转扭矩。所以，本实施例可精准地控制转子组14的每步转动的步进角度。

另外，定子组12的第一相线圈121、第二相线圈122及第三相线圈123分别围绕转子组14，如图2A所绘示。实际上，本实施例是以定子组12的三相的线圈依序使能而产生磁力线或电磁通量。其中使能线圈的磁力线将驱动转子组14转动。而使能的三相线圈将具有较低的涟波(ripple)。例如三相的各波峰之间的间距较小，所以，波形较为平缓或平稳。而较低的涟波(ripple)将降低无铁芯步进马达1的振动量。

转子组14用以转动而带动枢轴16转动。转子组14具有一强力永久磁铁，强力永久磁铁是选自一橡胶磁铁、一铁氧体磁铁、一铝镍钴磁铁、一钐钴磁铁及一钕铁硼磁铁的其中之一。本实施例不限制强力永久磁铁的形式。实际上，强力永久磁铁沿着一枢轴径向(未绘示)而设于一转子表面140，转子表面140上具有多个磁极N、S，而相邻的磁极N、S的磁性相反，且各磁极N、S间距相等。

请参阅图2A。为了方便说明，本实施例是以12个磁极N、S来说明。其中磁极N、S两两间隔地沿一枢轴径向(未绘示)而设置于转子表面140。因此在图2A中，每一磁极N、S约占30度(360°/12＝30°)。在其他实施例中，转子表面140上可具有18、24或36个磁极N、S。当然，相对应于上述数量的每一磁极N、S约占20、15或10度。本实施例不限制磁极N、S的数量。

请参阅图2A及图2B。控制模块11包括一控制单元110及多个切换开关SW1～SW6，控制单元110耦接这些切换开关SW1～SW6，且控制单元110用以控制这些切换开关SW1～SW6的导通或截止，而第一相线圈121耦接这些切换开关SW1～SW6的一些，第二相线圈122耦接这些切换开关SW1～SW6的另一些，第二相线圈122耦接这些切换开关SW1～SW6的其余一些，换言之，该第一相线圈121耦接部分的这些切换开关SW1～SW6，该第二相线圈122耦接另一部分的这些切换开关SW1～SW6，该第三相线圈123耦接余下的这些切换开关SW1～SW6。

控制模块11用以控制定子组12的三组线圈的电磁变化，以使转子组14以一第一预设转速并以一第一方向行进一预设行程，或是使转子组14以一第二预设转速并以一第二方向行进预设行程，第二预设转速大于或等于第一预设转速，而第一方向与第二方向为相反的方向。

控制单元110具有一第一模式及一第二模式。实际上，第一模式例如为步进马达控制模式，而第二模式例如为直流无刷马达控制模式。在控制单元110处于第一模式时，例如控制单元110接收到一启动信号，控制单元110输出一第一控制信号给这些切换开关SW1～SW6，以控制定子组12而驱动转子组14以第一预设转速行进预设行程。简单来说，控制单元110是以步进马达控制模式，以操控这些切换开关SW1～SW6的运作。所以，转子组14以步进角的驱动方式转动。

在控制单元110处于第二模式时，控制单元110输出第二控制信号给这些切换开关SW1～SW6，以控制定子组12而驱动转子组14以第二预设转速行进预设行程，而第一控制信号可以为走步脉冲信号。而第二控制信号可以为电压模拟信号，其中电压模拟信号中的电压大小正比于速度命令大小，换言之，电压越大则转子组14的转速越高。简单来说，控制单元110是以直流无刷马达控制模式，以操控这些切换开关SW1～SW6的运作。所以，转子组14以直流无刷马达控制的驱动方式转动。

举例来说，如图2B所绘示，第一相线圈121、第二相线圈122及第三相线圈123是为Y接。其中第一相线圈121的一端耦接至切换开关SW1、SW2之间，第二相线圈122的一端耦接至切换开关SW3、SW4之间，而第三相线圈123的一端耦接至切换开关SW5、SW6之间。而控制单元110耦接这些切换开关SW1～SW6。所以，例如控制单元110控制切换开关SW1、SW2、SW3、SW6截止，以及切换开关SW4、SW5导通时，则电流自第三相线圈123流向第二相线圈122。借此三组线圈的电磁变化将使转子组14转动。本实施例不限制控制单元110控制切换开关SW1～SW6，以使定子组12产生电磁变化的形式。在其他实施例中，三相线圈的结线也可以为Delta接。

进一步来说，控制单元110例如为中央处理器、微处理器或控制器，用以控制这些切换开关SW1～SW6其中一些的导通或截止。而切换开关SW1～SW6例如为金氧半场效晶体管、功率晶体管或门极晶体管。本实施例不限制控制单元110及切换开关SW1～SW6的形式。实际上，控制单元110输出例如为走步脉冲信号的第一控制信号或例如为电压模拟信号的第二控制信号，以控制无铁芯步进马达1的转子组14的每步转动的步进角度或是直流无刷马达控制的速度控制驱动方式转动。例如在无铁芯步进马达1以第一预设转速行进预设行程时，控制单元110输出第二控制信号给切换开关SW1～SW6，而第二控制信号是为指示转子组14自步进马达控制的驱动方式转换为直流无刷马达控制的驱动方式。

举例来说，走步脉冲信号例如包括多个脉冲，而每一脉冲用以指示转子组14的每步转动的步进角度。例如控制单元110通过100个脉冲的第一控制信号，以控制转子组14转动100步的步进角度。而100步的步进角度经由计算转换为直线距离或转动距离，而此100步形成的直线距离例如等同于预设行程。因此，在控制单元110自第一模式切换为第二模式，控制单元110将产生第二控制信号给无铁芯步进马达1。在其他实施例中，第一控制信号例如具有S个脉冲，S步的步进角度经转换的直线距离等同于预设行程，而S例如为大于零的正整数。本实施例不限制第一、第二控制信号及预设行程的形式。

值得一提的是，在第一模式下的控制模块11通过一全步进激磁、一半步进激磁、一四分之一全步进激磁或一N分之一全步进激磁，以控制转子组14的每步转动的步进角度，其中N分之一全步进激磁是为该全步进激磁的N分之一，而N可以为1、2、4、8、16或以上的正整数。本实施例不限制全步进激磁、半步进激磁、四分之一全步进激磁或N分之一全步进激磁的形式。

举例来说，全步进激磁是指示转子组14以每步60度的转动角度行进，半步进激磁是指示转子组14以每步30度的转动角度行进，四分之一全步进激磁是指示转子组14以每步15度的转动角度行进，N分之一全步进激磁是指示转子组14以每步N分之60度的转动角度行进。

另外，在第二模式下的控制模块11通过一反电动势信号(BackEMF)以侦测转子组14的位置，并根据反电动势信号以控制定子组12而驱动转子组14的转动。实际上，马达端电压的量测，是侦测未激发相反抗电动势的零交越点(电压值由负值变成正值或由正值变成负值)。当未激发相反抗电动势发生零交越后，再配合一个马达电气角30度的相位延迟，即可以找到最佳换相点。在最佳换相点作换相就可以产生最大的力矩推动马达旋转。所以，控制模块11处于第二模式下，控制模块11将依「定位、开路启动、闭路加速及闭路变速」等四步骤无感测驱动技术手段，以控制定子组12而驱动转子组14的转动。

图2C为根据图2B的本发明另一实施例的无铁芯步进马达的控制单元示意图。图2D为根据图2B的本发明另一实施例的无铁芯步进马达的控制单元的输出输入信号示意图。请参阅图2C及图2D。图2C所绘示为一控制单元110，其输入端耦接有模式信号Mode及通知信号L1、L2、L3，其输出端耦接有走步脉冲信号CLK及方向信号Dir。其中CLK例如为指示步进角行进的脉冲信号，Dir例如为指示方向的信号，Mode例如为指示第一模式或第二模式的信号，L1例如为指示行程终点的通知信号，L2例如为指示缓冲点位置的通知信号，L3例如为指示起始点位置的通知信号。其中，走步脉冲信号CLK的每一脉冲是指示转子组14的每步转动的步进角度。

接着，请参阅图2D。在时段tp1中，模式信号Mode例如为低电压电平信号。换句话说，控制单元110接收到低电压电平的模式信号Mode，则控制单元110是处于第一模式下。其中，方向信号Dir例如为高电压电平信号。简单来说，控制单元110接收到高电压电平的方向信号Dir，则控制单元110控制转子组14朝向第一方向转动。因此，转子组14是以步进马达控制的驱动方式转动，并以第一预设转速朝向第一方向转动。

在时段tp1及tp2之间的临界线，控制单元110接收到一脉冲的通知信号L1。模式信号Mode是自低电压电平信号转换为高电压电平信号，而方向信号Dir是自高电压电平信号转换为低电压电平信号。举例来说，无铁芯步进马达1例如以顺时针方向转动，并以每步转动15度的第一预设转速行进。当无铁芯步进马达1行进100步时，控制模块11切换为第二模式，即控制模块11产生第二控制信号以控制无铁芯步进马达1以一第二预设转速转动。其中，方向信号Dir为低电压电平信号，在切换开关SW1～SW6接收到低电压电平的方向信号Dir时，定子组12根据低电压电平的方向信号Dir而驱动转子组14反向转动。因此，无铁芯步进马达1例如以逆时针方向转动。

因此，在时段tp2中，模式信号Mode例如为高电压电平信号。换句话说，控制单元110接收到高电压电平的模式信号Mode，则控制单元110是处于第二模式下。其中，方向信号Dir例如为低电压电平信号。简单来说，控制单元110接收到低电压电平的方向信号Dir，则控制单元110控制转子组14朝向第二方向转动。因此，转子组14是以直流无刷马达控制的驱动方式转动，并以第二预设转速朝向第二方向转动。

在时段tp2及tp3之间的临界线，因通知信号L2自低电压电平转换为高电压电平。例如位置限制器侦测到后而输出通知信号L2。所以，控制单元110根据通知信号L2而切换为第一模式。模式信号Mode自高电压电平信号转换为低电压电平信号，而方向信号Dir仍维持低电压电平信号。

因此，在时段tp3中，模式信号Mode例如为低电压电平信号。换句话说，控制单元110是处于第一模式下。其中，方向信号Dir例如为低电压电平信号。因此，转子组14是以步进马达控制的驱动方式转动，并以第一预设转速朝向第二方向转动。

图3A为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的运作示意图。图3B为根据图3A的本发明另一实施例的无铁芯步进马达的运作示意图。请参阅图3A及图3B。为了方便说明，本实施例的无铁芯步进马达1是设置在扫描机内来说明。其中无铁芯步进马达1是用以驱动扫描文件的感测模块8，以使感测模块8可前进或后退以进行扫描作业。为了方便说明，假设无铁芯步进马达1可通过传动皮带以带动乘载感测模块8的载台移动。

举例来说，起始点S0与行程终点E之间具有一预设行程T1。预设行程T1例如为30公分，而这30公分的预设行程T1等同于100步的步进角度，其中每一步为3.75度的转动角度。在无铁芯步进马达1接收到控制指令，无铁芯步进马达1例如以每步3.75度的转动角度行进，而无铁芯步进马达1将沿着第一方向W1转动。因此，感测模块8将沿着前进方向V1朝向行程终点E。所以，感测模块8可精确地感测文件内容，如图3A所绘示。

当感测模块8接近行程终点E点，在控制单元可以接收到一第一位置限制器P1所输出的一第一通知信号时，控制单元根据第一通知信号而处于第二模式，控制单元以输出第二控制信号，以控制定子组而驱动转子组以第二预设转速并以第二方向W2行进预设行程。简单来说，控制单元是以直流无刷马达控制方式，以控制定子组而驱动转子组转动。

举例来说，在乘载感测模块8的载台接触到第一位置限制器P1时，第一位置限制器P1将输出的一第一通知信号给控制单元。因此，无铁芯步进马达1将切换而处于第二模式下，控制单元输出一第二控制信号给这些切换开关，而这些切换开关是处于直流无刷马达控制的方式。另无铁芯步进马达1根据方向信号以反向转动。例如无铁芯步进马达1将沿着第二方向W2转动。因此，感测模块8将沿着后退方向V2朝向起始点S0。其中无铁芯步进马达1以第二预设转速转动，而使乘载感测模块8的载台返回上述起始点S0。因此，无铁芯步进马达1高速转动即可使乘载感测模块8的载台靠近起始点S0。

在转子组以第二预设转速并以第二方向W2行进，并邻近一起始点S0的一预设距离d1时，转子组将第二预设转速转换为第一预设转速，并以第一预设转速回到起始点S0，而预设距离d1是指示第二预设转速转换为第一预设转速的缓冲距离。值得注意的是，在乘载感测模块8的载台靠近起始点S0的一预设距离d1时，无铁芯步进马达1将第二预设转速转换为第一预设转速，并以第一预设转速及第二方向W2回到起始点S0，而预设距离d1例如是指示第二预设转速转换为第一预设转速的缓冲距离。例如以直流无刷马达驱动方式转动转换为步进角每步3.75度的转动角所需要的缓冲距离。其中预设距离d1小于预设行程T1。本实施例不限制预设距离d1的形式与长度。

值得注意的是，在控制单元接收到一第二位置限制器P2所输出的一第二通知信号时，控制单元根据第二通知信号而处于第一模式，即控制单元输出第一控制信号给这些切换开关SW1～SW6，以控制定子组而驱动转子组以第一预设转速并以第二方向W2行进至起始点S0。

之后，在控制单元接收到一第三位置限制器P3所输出的一第三通知信号时，控制单元根据第三通知信号而处于一停止模式。简单来说，乘载感测模块8的载台复归起始点时，第三位置限制器P3将输出第三通知信号给控制单元。当然，控制单元将处于停止模式，并停止再变动这些切换开关。所以，转子组将停止转动。

此外，在乘载感测模块8的载台靠近起始点S0的一预设距离d1，第二位置限制器P2将输出第二通知信号给控制单元。所以，控制模块将控制定子组而驱动转子组减缓速度复归起始点S0。简单来说，本实施例的无铁芯步进马达1可自直流无刷马达控制的驱动方式切换为步进马达控制的驱动方式，亦即自高转速降为低转速的步进驱动而回归起始点。另所属技术领域普通技术人员应知道第一、第二及第三位置限制器P1、P2、P3的功用，在此不予赘述。

在其他实施例中，无铁芯步进马达1可运用于生产自动化中输送带的动作上。因此，无铁芯步进马达1转动以达预设行程时，其中预设行程例如为转动距离，或是无铁芯步进马达1接收到遥控器的第二控制信号时，无铁芯步进马达1也可进行切换第一模式或第二模式，以及反向转动的运作。本实施例不限制无铁芯步进马达1运用于生产自动化中输送带的动作上的形式。

图4A为本发明另一实施例的无铁芯步进马达1的三相扭矩常数波形示意图。图4B为本发明另一实施例的无铁芯步进马达1的三相电流波形示意图。图4C为本发明另一实施例的无铁芯步进马达1的三相电流波形示意图。图4D为本发明另一实施例的无铁芯步进马达1的三相扭矩常数及三相电流波形示意图。请参阅图4A、图4B、图4C及图4D。为了方便说明，本实施例是以四分之一步进激磁来说明。当然，四分之一全步进激磁是指示转子组14以每步四分之一全步进角激磁的转动角度行进。

图4A所绘示为三相扭矩常数波形，其中于相位90度及270度的位置中，Ktv相及Ktw相的电压波形将交会。所以，Ktv＝Ktw。而相位90度及270度可被用以推导「三相扭矩常数波形」与转换为步阶控制的「三相电流波形」的关系。

接下来，由图4B所绘示为三相电流波形可知，在S1步阶中，iv+iw＝0。因此，本实施例是将图4A的三相扭矩常数波形都向-x轴平移75度(等同于90度-15度)。其中15度为四分之一全步进的角度，90度为图4A中的上述相位90度。简单来说，图4A的三相扭矩常数波形先平移75度，用以与图4B的三相电流波形对位。换句话说，本实施例是以15度相位来切割S1步阶。

由图4C所绘示为三相电流波形可知，在S1～S7步阶中，每一相的每一步阶S1～S7的电流值是不相同的，其中以u相的步阶可知，S1步阶的电流为0，而S7步阶的电流为1(已归一化)，而S2～S6步阶分别设为参数X1～X5，而参数X1～X5为未知数。当然，本实施例是通过图4A及图4B中的三相扭矩常数波形及三相电流波形的关是可以而计算出参数X1～X5。

计算出三相扭矩常数波形及三相电流波形依存的关系，即可呈现于图4D中。其中，三相扭矩常数波形(已归一化)于每一对位步阶a～h的关系如表一。而三相电流波于每一步阶S1～S7的关系如表二。

表一

对位步阶\三相电压波形	Ktu	Ktv	Ktw
				a	0.9659	-0.7091	-0.2588
b	1	-0.5	-0.5
				c	0.9659	-0.2588	-0.7091
d	0.866	0	-0.866
				e	0.7091	0.2588	-0.9659
f	0.5	0.5	-1
				g	0.2588	0.7091	-0.9659
h	0	0.866	-0.866

表二

步阶\三相电流波形	iu	iv	iw
				S1	0	-X4	X4
S2	X1	-X5	X3
				S3	X2＝0.5	-1	X2＝0.5

S4	X3	-X5	X1
				S5	X4	-X4	0
S6	X5	-X3	-X1
				S7	1	-X2＝-0.5	-X2＝-0.5

之后，利用三相电流存在iu+iv+iw＝0(假设是Y接马达)的关系，且对位步阶a～h的阶段扭力矩均为零，另每步阶的启动扭力矩相等。所以，本实施例可计算出X1～X5的参数的数值。当然，在其他实施例中，使用者可根据参数X1～X5的算法，以转换并计算出N分之一全步进激磁的数学关系式。实际上在控制系统上实现微步进激磁控制需转换到d-q轴，并根据向量控制(FOC)理论进行控制。

基于上述，本实施例的无铁芯步进马达可精准地控制定子组的三组线圈使能而产生的磁力线，并对磁力线进行细分割，借此使转子组精准地转动每步的步进角度。

图5A为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的三相扭矩常数及三相电流波形示意图。图5B为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的相位及扭力矩波形示意图。请参阅图5A及图5B。本实施例的无铁芯步进马达1是以四分之一全步进、电流峰值为1安培、相扭矩常数为弦波，峰值为1gcm/A以及三相相位由图4A向-x轴平移50度的条件下进行估测。其中四分之一全步进是指示转子组14全步进角为60度，经过四分之一分割，每步进的转动角度变为15度。

由图5B的相位及扭力矩波形示意图可知，扭力矩波形是以约0.8克公分(gcm)为基准值而上下波动。如此一来，本实施例的无铁芯步进马达1确实可比传统二相步进马达降低扭力矩变异，借此降低无铁芯步进马达1的震动量。所以，本实施例的无铁芯步进马达1确实可达到精准控制步进角的功效。

图6A为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的三相扭矩常数及三相电流波形示意图。图6B为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的相位及扭力矩波形示意图。请参阅图6A及图6B。本实施例的无铁芯步进马达1是以四分之一全步进、电流峰值为1安培、相扭矩常数为弦波，峰值为1gcm/A以及三相相位由图4A向-x轴平移0度的条件下进行估测。其中四分之一全步进是指示转子组14全步进角为60度，经过四分之一分割，每步进的转动角度变为15度。

由图6B的相位及扭力矩波形示意图可知，扭力矩波形是以约1.48克公分(gcm)为基准值而上下波动。如此一来，本实施例的无铁芯步进马达1转矩涟波经很小了，几乎驱近于0，大大降低无铁芯步进马达1的震动量。

值得一提的是，在其他实施例中，无铁芯步进马达1可以是N分之一全步进，其中N例如为1、2、4、8、16或以上的正整数。而三相相位平移M度，M例如为0、10、15、-15或25。而电流峰值及扭矩常数峰值例如分别为1.5安培及1gcm/A。所属技术领域具有通常知识者可自由设计N分之一全步进、三相相位平移M度、电流峰值及电压峰值。

图7为本发明另一实施例的无铁芯步进马达的控制方法流程图。请参阅图7。本发明实施例提出一种无铁芯步进马达的控制方法，适用于一设置无铁芯步进马达的伺服机上，无铁芯步进马达包括一定子组、一转子组及一控制模块，控制模块包括一控制单元及多个切换开关，控制单元耦接这些切换开关，控制模块耦接定子组，定子组是由三组线圈所组成，三组线圈分别为一第一相线圈121、一第二相线圈122及一第三相线圈123，第一相线圈121、第二相线圈122及第三相线圈123分别围绕转子组，控制方法包括：

在步骤S701中，判断控制单元是否处于一第一模式。若步骤S701的判断结果为否，则回复到开始的步骤中。若步骤S701的判断结果为是，则进行步骤S703中，控制单元输出一第一控制信号给这些切换开关，以控制定子组而驱动转子组以第一预设转速并以一第一方向行进一预设行程。实际上，控制单元例如接收到启动信号，而启动信号例如为触发无铁芯步进马达运转的脉冲信号。本实施例不限制启动信号的形式。

举例来说，在第一模式的控制模块可控制三组线圈使能而对磁力线进行细分割。所以，转子组可根据细分割的磁力线，以转动更小的步进角度。简单来说，控制模块控制定子组的三组线圈的电磁变化，以使转子组以第一预设转速并以第一方向行进预设行程。

在步骤S705中，判断控制单元是否处于一第二模式。若步骤S705的判断结果为否，则回复到步骤S703中。若步骤S705的判断结果为是，则进行步骤S707中，控制单元输出一第二控制信号给这些切换开关，以控制定子组而驱动转子组以一第二预设转速并以一第二方向行进预设行程。

实际上，例如乘载感测模块的载台接触到第一位置限制器，而第一位置限制器输出第一通知信号给控制单元，以使控制单元切换为第二模式。在第二模式的控制模块侦测无铁芯步进马达的反电动势(BackEMF)信号以得知转子组的位置，并产生对应的三相PWM波形以驱动如全桥式的切换开关，借此使转子组能顺利启动。接着，当转子组顺利启动后，在第二模式的控制模块将进行闭回路速度控制，以适应负载的变动状况。简单来说，在第二模式的控制模块是以直流无刷驱动方式，控制无铁芯步进马达转动。

接下来，在步骤S709中，邻近起始点的一预设距离，转子组将第二预设转速转换为第一预设转速，并以第一预设转速回到起始点。在步骤S709中，在无铁芯步进马达靠近起始点的一预设距离时，无铁芯步进马达将第二预设转速转换为第一预设转速，并以第一预设转速回到起始点，而预设距离例如是指示第二预设转速转换为第一预设转速的缓冲距离。在其他实施例中，步骤S709可以被省略。简单来说，无铁芯步进马达是以第一预设转速行进或后退的转动，作归位(Home)的操作。本实施例不限制无铁芯步进马达的运作形式。

综上所述，本发明为一种无铁芯步进马达，包括一控制模块、一定子组及转子组，其中由三相的线圈组成的定子组因不具硅钢片，所以，定子组可克服顿转扭矩过大造成定位不准与振动过大的问题，且定子组具有较低的电感量，而控制模块可控制具有较低的电感量的定子组，而使马达响应加快，带宽加大。另外，控制模块轮流使能三相的线圈，以使转子组得以顺利转动，借此降低涟波(ripple)。所以，本发明的无铁芯步进马达确实可克服定位的问题、提高转动的步进角度的精密度及降低无铁芯步进马达的振动量和噪音。

以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的专利范围。

Claims (10)

1.一种无铁芯步进马达，其特征在于，包括：

一定子组，是由三组线圈所组成，该三组线圈分别为一第一相线圈、一第二相线圈及一第三相线圈；

一转子组，该定子组的该第一相线圈、该第二相线圈及该第三相线圈分别围绕该转子组；

一枢轴，枢接于该转子组；

一壳体，用以容纳该定子组及该转子组；

一盖体，连接于该壳体的一端；及

一板体，相对于该盖体而连接于该壳体的另一端。

2.如权利要求1所述的无铁芯步进马达，其特征在于，该无铁芯步进马达更包括一控制模块，该控制模块包括一控制单元及多个切换开关，该控制单元耦接该切换开关，且该控制单元用以控制该切换开关的导通或截止，而该第一相线圈耦接部分该切换开关，该第二相线圈耦接另一部分该切换开关，该第三相线圈耦接余下的该切换开关。

3.如权利要求2所述的无铁芯步进马达，其特征在于，该定子组均不具有硅钢片或铁板，而该控制模块用以控制该定子组的该三组线圈的电磁变化，以使该转子组以一第一预设转速并以一第一方向行进一预设行程，或是使该转子组以一第二预设转速并以一第二方向行进该预设行程，该第二预设转速大于或等于该第一预设转速，而该第一方向与该第二方向为相反的方向。

4.如权利要求3所述的无铁芯步进马达，其特征在于，该控制单元具有一第一模式及一第二模式，在该控制单元处于该第一模式时，该控制单元输出一第一控制信号给该切换开关，以控制该定子组而驱动该转子组以该第一预设转速行进该预设行程，在该控制单元处于该第二模式时，该控制单元输出一第二控制信号给该切换开关，以控制该定子组而驱动该转子组以该第二预设转速行进该预设行程，而该第一控制信号为走步脉冲信号及该第二控制信号为电压模拟信号，该电压模拟信号中的电压大小正比于速度命令大小。

5.如权利要求4所述的无铁芯步进马达，其特征在于，在该控制单元接收到一第一位置限制器所输出的一第一通知信号时，该控制单元根据该第一通知信号而处于该第二模式，该控制单元输出该第二控制信号，以控制该定子组而驱动该转子组以该第二预设转速并以该第二方向行进该预设行程，而该第二模式为直流无刷马达控制模式。

6.如权利要求4或5所述的无铁芯步进马达，其特征在于，在该转子组以该第二预设转速并以该第二方向行进，并邻近一起始点的一预设距离时，该转子组将该第二预设转速转换为该第一预设转速，并以该第一预设转速回到该起始点，而该预设距离是指示该第二预设转速转换为该第一预设转速的缓冲距离。

7.如权利要求6所述的无铁芯步进马达，其特征在于，在该控制单元接收到一第二位置限制器所输出的一第二通知信号时，该控制单元根据该第二通知信号而处于该第一模式，该控制单元输出该第一控制信号给该切换开关，以控制该定子组而驱动该转子组以该第一预设转速并以该第二方向行进至该起始点，而该第一模式为步进马达控制模式，在该控制单元接收到一第三位置限制器所输出的一第三通知信号时，该控制单元根据该第三通知信号而处于一停止模式。

8.如权利要求2所述的无铁芯步进马达，其特征在于，该控制模块通过一全步进激磁、一半步进激磁、一四分之一全步进激磁或一N分之一全步进激磁，以控制该定子组而驱动该转子组的每步转动的步进角度，其中该N分之一全步进激磁是为该全步进激磁的N分之一，而N为1、2、4、8、16或以上的正整数，或是该控制模块通过一反电动势信号以侦测该转子组的位置，并根据该反电动势信号以控制该定子组而驱动该转子组的转动。

9.如权利要求1所述的无铁芯步进马达，其特征在于，该转子组具有一强力永久磁铁，该强力永久磁铁是选自一橡胶磁铁、一铁氧体磁铁、一铝镍钴磁铁、一钐钴磁铁及一钕铁硼磁铁的其中之一而该强力永久磁铁沿着一枢轴径向而设于一转子表面，该转子表面上具有多个磁极，而相邻的磁极的磁性相反，且各该磁极间距相等。

10.一种无铁芯步进马达的控制方法，适用于一设置该无铁芯步进马达的伺服机上，该无铁芯步进马达包括一定子组、一转子组及一控制模块，该控制模块包括一控制单元及多个切换开关，该控制单元耦接该切换开关，该控制模块耦接该定子组，该定子组是由三组线圈所组成，该三组线圈分别为一第一相线圈、一第二相线圈及一第三相线圈，该第一相线圈、该第二相线圈及该第三相线圈分别围绕该转子组，其特征在于，该控制方法包括：

判断该控制单元是否处于一第一模式，若判断结果为是，则该控制单元输出一第一控制信号给该切换开关，以控制该定子组的该第一相线圈、该第二相线圈及该第三相线圈的电磁变化，以使该转子组以该第一预设转速行进一预设行程；

判断该控制单元是否处于一第二模式，若判断结果为是处于该第二模式，则该控制单元输出一第二控制信号给该切换开关，以控制该定子组而驱动该转子组以一第二预设转速行进该预设行程，该第二预设转速大于或等于该第一预设转速；及

邻近一起始点的一预设距离，该转子组将该第二预设转速转换为该第一预设转速，并以该第一预设转速回到该起始点。