步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器原理,步進(jìn)電機(jī)工作原理-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2025-07-23
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開(kāi)環(huán)控制電機(jī)，又稱為脈沖電機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，它就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”。
步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率，來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的步距角，是在電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上等比例控制產(chǎn)生的，如果控制電路的細(xì)分控制不變，那么步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的步距角在理論上是一個(gè)固定的角度。
接收控制系統(tǒng)發(fā)出的弱電脈沖信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換并放大為強(qiáng)電電流信號(hào)，按特定順序輪流驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，從而精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的步進(jìn)角度和轉(zhuǎn)速。
信號(hào)輸入：
驅(qū)動(dòng)器接收來(lái)自控制器（如單片機(jī)、PLC、運(yùn)動(dòng)控制卡）發(fā)出的脈沖（PUL）信號(hào)和方向（DIR）信號(hào)。
脈沖信號(hào)(PUL/Pulse)：每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)基本步距角（或細(xì)分后的步距角）。脈沖頻率決定電機(jī)轉(zhuǎn)速。
方向信號(hào)(DIR/Direction)：高電平或低電平信號(hào)，指示電機(jī)應(yīng)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
有些驅(qū)動(dòng)器還有使能信號(hào)(EN/Enable)，用于開(kāi)啟/關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器輸出，讓電機(jī)轉(zhuǎn)子自由轉(zhuǎn)動(dòng)或保持位置。
信號(hào)處理(脈沖分配器/環(huán)形分配器)：
驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的邏輯電路根據(jù)接收到的脈沖數(shù)量和方向信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前應(yīng)激活（通電）哪一相（或多相）繞組。
它按照預(yù)設(shè)的相序邏輯（如單相、雙相、1-2相勵(lì)磁，或更復(fù)雜的微步序列表）循環(huán)切換各相的導(dǎo)通狀態(tài)。
這是決定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向和步進(jìn)模式（整步、半步、微步）的關(guān)鍵部分。
功率放大(驅(qū)動(dòng)電路)：
處理后的邏輯指令被送到功率放大電路（通常是H橋或半H橋結(jié)構(gòu)）。
功率電路從電源（通常為直流，如24V,48V）獲取能量。
功率器件（如MOSFET管、IGBT）在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下快速導(dǎo)通和關(guān)斷。
核心作用是將微弱的控制信號(hào)電壓/電流放大到足夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)繞組所需的強(qiáng)電流（通常幾安培到十幾安培）。
電流控制：
這是驅(qū)動(dòng)器性能的關(guān)鍵技術(shù)。
步進(jìn)電機(jī)是電流驅(qū)動(dòng)型設(shè)備，其輸出轉(zhuǎn)矩主要取決于繞組內(nèi)的電流大?。ǘ请妷海?。
驅(qū)動(dòng)器需要精確控制流經(jīng)每個(gè)繞組的電流，使其達(dá)到目標(biāo)值并保持穩(wěn)定（尤其在高速時(shí)）。常用技術(shù)有：
恒壓驅(qū)動(dòng)（已被淘汰或僅見(jiàn)于超低成本）：簡(jiǎn)單地在繞組上施加固定電壓，電流由繞組電阻和反電動(dòng)勢(shì)決定，性能差。
斬波恒流驅(qū)動(dòng)：這是目前主流的控制方式（如L/R驅(qū)動(dòng)和更先進(jìn)的PWM斬波恒流）。
驅(qū)動(dòng)器持續(xù)檢測(cè)繞組中的實(shí)際電流（通常通過(guò)小采樣電阻）。
將實(shí)測(cè)電流與目標(biāo)電流（由驅(qū)動(dòng)器的電流設(shè)定撥碼、電位器或通訊設(shè)置決定）進(jìn)行比較。
如果實(shí)測(cè)電流低于目標(biāo)值，功率管導(dǎo)通，電流上升。
如果實(shí)測(cè)電流達(dá)到或超過(guò)目標(biāo)值，功率管迅速關(guān)斷（斬波），電流開(kāi)始下降（通過(guò)繞組電感釋放能量或續(xù)流回路）。
功率管根據(jù)比較結(jié)果高頻地（幾十kHz）開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間占空比（PWM），使繞組電流平均值穩(wěn)定在目標(biāo)值附近。這能大幅提升高低速轉(zhuǎn)矩，并顯著減少電機(jī)發(fā)熱。
供給步進(jìn)電機(jī)：
功率放大級(jí)產(chǎn)生的高功率電流按照處理好的相序邏輯，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的輸出端口（A+,A-,B+,B-等）連接到步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)的相繞組上。
各相繞組按順序通電/斷電（或改變電流大小和方向），產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子（通常是永磁體或有齒結(jié)構(gòu)）被磁場(chǎng)吸引，按步轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小角度（步距角），試圖與定子磁極對(duì)齊。
細(xì)分驅(qū)動(dòng)（可選但常見(jiàn)）：
現(xiàn)代步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器普遍具備細(xì)分功能。
原理：通過(guò)對(duì)每相繞組中的電流進(jìn)行更精細(xì)的、階梯狀的量化控制（不僅是通/斷，而是設(shè)定多個(gè)中間電流值），產(chǎn)生微步進(jìn)狀態(tài)。
效果：把一個(gè)完整的基本步距角（如1.8度）細(xì)分成多個(gè)更小的微步（如2,4,8,16,32,64,128,256甚至更多）。這樣，轉(zhuǎn)子能在每個(gè)微步信號(hào)下轉(zhuǎn)動(dòng)基本步距角的1/N（如1.8°/8=0.225°）。
優(yōu)點(diǎn)：大幅提高運(yùn)行平穩(wěn)性、減少振動(dòng)和噪聲、提升低速分辨率、改善部分中間位置定位精度。
功率放大與控制：MOS管通過(guò)快速開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電流通斷控制，將微控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)所需的電流脈沖。
電流與過(guò)載保護(hù)：具備過(guò)載保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)流或異常時(shí)，可迅速切斷電路，防止電機(jī)或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損壞。同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電流精細(xì)化控制，優(yōu)化電機(jī)力矩與效率。
效率與穩(wěn)定性提升：低壓MOS管在高頻驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景下能減少能量損耗，配合步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制特性，顯著提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度與定位精度，適用于數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化設(shè)備等高精度場(chǎng)景。
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