步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的作用和工作原理是什么？

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)。它通過接收來自控制系統(tǒng)的電脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、位置和方向，從而實(shí)現(xiàn)精確的角位移控制。

步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動(dòng)作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其原始模型是起源于1830年至1860年間。1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機(jī)。1923年，James Weir French發(fā)明三相可變磁阻型(Variable reluctance)，此為步進(jìn)電機(jī)前身。二十世紀(jì)初，步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在了電話自動(dòng)交換機(jī)中。由于西方資本主義列強(qiáng)爭(zhēng)奪殖民地，步進(jìn)電機(jī)在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的控制方式更加靈活多樣。

一、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的種類

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器按照結(jié)構(gòu)可以分為反應(yīng)式、永磁式和混合式三種。

1. 反應(yīng)式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。其定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成，定、轉(zhuǎn)子周邊均勻分布小齒和槽，通電后利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為三、四、五、六相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出(消耗功率較大，電流最高可達(dá)20A，驅(qū)動(dòng)電壓較高)，步距角小(最小可做到10’)，斷電時(shí)無定位轉(zhuǎn)矩，電機(jī)內(nèi)阻尼較小，單步運(yùn)行(指脈沖頻率很低時(shí))震蕩時(shí)間較長(zhǎng)，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高。

2. 永磁式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：通常電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵(lì)磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒有小齒和槽。通電后利用永磁體與定子電流磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為兩相或四相，輸出轉(zhuǎn)矩小(消耗功率較小，電流一般小于2A，驅(qū)動(dòng)電壓12V)，步距角大(例如7.5度、15度、22.5度等)，斷電時(shí)具有一定的保持轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低。

3. 混合式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。其定子和四相反應(yīng)式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器沒有區(qū)別(但同一相的兩個(gè)磁極相對(duì)，且兩個(gè)磁極上繞組產(chǎn)生的N、S極性必須相同)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜(轉(zhuǎn)子內(nèi)部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽)。一般為兩相或四相，須供給正負(fù)脈沖信號(hào)，輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大(消耗功率相對(duì)較小)，步距角較永磁式小(一般為1.8度)，斷電時(shí)無定位轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，發(fā)展較快的一種步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。

二、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的工作原理

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的工作原理是，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，它就會(huì)按照設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度(即步長(zhǎng))。這個(gè)過程是通過控制脈沖的數(shù)量來控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。同時(shí)，通過改變脈沖的頻率來控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度。

步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了一套精密的控制電路，當(dāng)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，控制電路會(huì)根據(jù)設(shè)定的算法將這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)需要旋轉(zhuǎn)的角度和速度。然后通過電磁場(chǎng)的變換來驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定的位置。

步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)，其步距角變小了。例如，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，其步距角只為‘電機(jī)固有步距角’的十分之一。這就是細(xì)分的基本概念。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動(dòng)器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生，與電機(jī)無關(guān)。

三、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用場(chǎng)景

由于步進(jìn)電機(jī)具有高精度、高響應(yīng)和高效率等優(yōu)點(diǎn)，因此步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、紡織機(jī)械等。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器可以精確控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度，從而實(shí)現(xiàn)高精度的加工和操作。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器是一種重要的自動(dòng)化執(zhí)行元件，它可以實(shí)現(xiàn)精確的角位移控制和速度控制。通過與控制系統(tǒng)的配合使用，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和控制任務(wù)。