步進馬達驅動器原理,步進電機工作原理-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2025-07-23
步進電機是將電脈沖轉化為角位移或線位移的開環控制電機，又稱為脈沖電機。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響。當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，它就可以驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”。
步進電機的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率，來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
步進電機是通過脈沖信號來進行控制，每輸入一個脈沖信號，步進電機前進一步。步進電機旋轉的步距角，是在電機結構的基礎上等比例控制產生的，如果控制電路的細分控制不變，那么步進旋轉的步距角在理論上是一個固定的角度。
接收控制系統發出的弱電脈沖信號，將其轉換并放大為強電電流信號，按特定順序輪流驅動步進電機的各相繞組，從而精確控制電機轉子的步進角度和轉速。
信號輸入：
驅動器接收來自控制器（如單片機、PLC、運動控制卡）發出的脈沖（PUL）信號和方向（DIR）信號。
脈沖信號(PUL/Pulse)：每個脈沖對應電機轉過一個基本步距角（或細分后的步距角）。脈沖頻率決定電機轉速。
方向信號(DIR/Direction)：高電平或低電平信號，指示電機應順時針或逆時針旋轉。
有些驅動器還有使能信號(EN/Enable)，用于開啟/關閉驅動器輸出，讓電機轉子自由轉動或保持位置。
信號處理(脈沖分配器/環形分配器)：
驅動器內部的邏輯電路根據接收到的脈沖數量和方向信號，計算出當前應激活（通電）哪一相（或多相）繞組。
它按照預設的相序邏輯（如單相、雙相、1-2相勵磁，或更復雜的微步序列表）循環切換各相的導通狀態。
這是決定轉子旋轉方向和步進模式（整步、半步、微步）的關鍵部分。
功率放大(驅動電路)：
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橋結構）。
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）在驅動信號的控制下快速導通和關斷。
核心作用是將微弱的控制信號電壓/電流放大到足夠驅動步進電機繞組所需的強電流（通常幾安培到十幾安培）。
電流控制：
這是驅動器性能的關鍵技術。
步進電機是電流驅動型設備，其輸出轉矩主要取決于繞組內的電流大小（而非電壓）。
驅動器需要精確控制流經每個繞組的電流，使其達到目標值并保持穩定（尤其在高速時）。常用技術有：
恒壓驅動（已被淘汰或僅見于超低成本）：簡單地在繞組上施加固定電壓，電流由繞組電阻和反電動勢決定，性能差。
斬波恒流驅動：這是目前主流的控制方式（如L/R驅動和更先進的PWM斬波恒流）。
驅動器持續檢測繞組中的實際電流（通常通過小采樣電阻）。
將實測電流與目標電流（由驅動器的電流設定撥碼、電位器或通訊設置決定）進行比較。
如果實測電流低于目標值，功率管導通，電流上升。
如果實測電流達到或超過目標值，功率管迅速關斷（斬波），電流開始下降（通過繞組電感釋放能量或續流回路）。
功率管根據比較結果高頻地（幾十kHz）開關，通過調節導通時間占空比（PWM），使繞組電流平均值穩定在目標值附近。這能大幅提升高低速轉矩，并顯著減少電機發熱。
供給步進電機：
功率放大級產生的高功率電流按照處理好的相序邏輯，通過驅動器的輸出端口（A+,A-,B+,B-等）連接到步進電機對應的相繞組上。
各相繞組按順序通電/斷電（或改變電流大小和方向），產生旋轉磁場。
步進電機的轉子（通常是永磁體或有齒結構）被磁場吸引，按步轉動一個微小角度（步距角），試圖與定子磁極對齊。
細分驅動（可選但常見）：
現代步進驅動器普遍具備細分功能。
原理：通過對每相繞組中的電流進行更精細的、階梯狀的量化控制（不僅是通/斷，而是設定多個中間電流值），產生微步進狀態。
效果：把一個完整的基本步距角（如1.8度）細分成多個更小的微步（如2,4,8,16,32,64,128,256甚至更多）。這樣，轉子能在每個微步信號下轉動基本步距角的1/N（如1.8°/8=0.225°）。
優點：大幅提高運行平穩性、減少振動和噪聲、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管通過快速開關實現電流通斷控制，將微控制器發出的脈沖信號轉換為驅動步進電機所需的電流脈沖。
電流與過載保護：具備過載保護功能，當系統出現過流或異常時，可迅速切斷電路，防止電機或驅動系統損壞。同時通過調節導通狀態實現電流精細化控制，優化電機力矩與效率。
效率與穩定性提升：低壓MOS管在高頻驅動場景下能減少能量損耗，配合步進電機的脈沖控制特性，顯著提高系統的響應速度與定位精度，適用于數控機床、自動化設備等高精度場景。
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