给步进电机带来闭环功能

步进电机是一种非常简单的设备，在自动化应用中有多种用途。

自动化系统设计师喜欢步进电机的易于控制:指示步进电机向前转1000步和向后75步，并且——提供的有效载荷限制不超过——它将这样做。

大多数现代步进驱动器可以微步下降到51200步每转，这使平滑，低速度运动0.1 rpm或以下。纳米步进电机提供更高的分辨率和电机控制。

此外，步进电机比伺服电机更便宜。

到目前为止，一切顺利。

然而，在实践中，步进电机有固有的局限性，可以减少其支持复杂自动化应用的能力。

图片由NMB科技提供。在步进电机中，随着转矩的增加，转速降低。回转范围显示步进电机的通常操作范围。

“步进电机擅长于高扭矩和低速或高速和低扭矩。因此，对于需要高速和高扭矩的应用，步进电机是没有用的，”Mark MacDonell，英国销售经理在三联科技有限公司．

考虑到这些限制，步进电机倾向于用于低功耗、低负载的应用，如3D打印机、cnc、自动螺丝刀、XY绘图机和微型泵。

开环性能与闭环可靠性

通常，步进系统是开环的，这使得在速度方面的高性能。当电机的负载不超过它将自然地运行在其整个运行的最大速度。

开环系统牺牲了闭环系统的可靠性。闭环系统提供二次验证和性能增强功能，如自动位置反馈和飞行时的校正，而高级自动化开环系统的基本功能则没有。

图片由NMB科技提供。OL控制系统(左)不提供位置反馈给控制器，而CL控制系统(右)做。

然而，在某些情况下，你也希望步进电机提供闭环功能，特别是位置反馈。

“我们在高风险的医疗应用中经常遇到这种闭环要求，如实验室测试场景中使用的临床分析仪，”Scott Jacobs，电机产品应用工程经理说NMB技术公司．

临床分析人员将样本放入试管中进行不同的测试。在这些情况下，最终用户需要确保系统的试管在正确的位置，并分配正确数量的试剂或其他材料。

“这些客户不能有一个情况下，电机只分发，甚至略少于它应该的数量。他们需要百分之百确定电机已经移动的确切数量，他们想要确保步进电机已经达到其目标位置，”雅各布斯解释说。闭环功能提供了这种保证，使系统能够双重检查步进电机的精确位置。”

高效率的技术

在步进电机上提供附加闭环功能的一个典型方法是添加一个传感器，可以提供对电机转子位置的精确反馈。

“最常见的选择是光学编码器，但磁性编码器和解析器也提供在市场上，”Johann Tang，市场分析师和产品专家说美国东方汽车公司．

一般来说，光学编码器使用LED光源、控制产生的光的码盘和光探测器将光信号转换为电信号输出。增量式光学编码器可以提供高达65,536 PPR的分辨率，而绝对光学编码器可以提供高达20位的分辨率(2^20.）.

Tang补充道，霍尔效应传感器是固态磁编码器，其分辨率低于光学编码器，因此它们不适用于需要200或更多步长才能旋转一圈的步进电机。

与此同时，解析器(有模拟和数字两种形式，可测量旋转程度)为霍尔效应传感器提供类似水平的鲁棒性和类似的控制分辨率。

运动控制

在步进电机上添加任何类型的传感器都会增加成本，并且需要一个复杂的运动控制系统来操作。

TRIO公司的MacDonell说:“步进电机是简单的、同步的设备，喜欢以方波形式提供电流，所以它们有两个线圈，驱动卡提供电流，激励电机绕组。”“为了获得更精确的轴定位，驱动程序通常会将电流划分为‘微步’，但同时也需要对速度进行权衡。通常，运动控制器将输出一个脉冲流，让步进电机跟随和一个方向信号，指示电机前进或后退。”

通常，驱动卡位于运动控制器和电机之间。驱动器解释方向信号，并将从运动控制器接收到的低功率信号(通常为5V)放大到24V或48V，并提供几个安培来物理地驱动电机本身的绕组。

虽然通过定制的驱动算法和额外的传感器可以在开环和闭环操作之间切换，但其中涉及的复杂性将吸引许多自动化设计人员选择其固有的额外功率和闭环功能的伺服电机。

混合运动控制

随着一种新型混合运动控制系统的出现，转向伺服电机的诱惑可能会减少，这种系统为步进电机提供了一种在开环和闭环控制之间无缝切换的方法。

混合运动控制系统将步进电机的OL性能与闭环系统的可靠性结合起来。

图片由东方汽车提供。混合运动控制系统使步进电机能够在开环和闭环控制之间切换，为终端用户带来两者的好处。

在这种系统中，电机的位置被不断地监测，驱动器根据情况和应用要求自动在开环和闭环控制之间切换。

在混合运动控制系统中，传感器检测电机旋转的步数。然后，根据用户设定的标准，步进系统知道何时应该在开环模式下工作，何时应该在闭环模式下工作。

一旦建立了开环和闭环之间的阈值，算法就可以根据电机的反馈命令运动系统在开环和闭环功能之间切换。

系统在开环模式下启动，同时输入计数器不断比较步长计数(即理论位置)和转子位置计数器(实际位置)，东方电机的Tang解释说。

两个位置之间的差值保存在一个偏差计数器中。当偏差值超过一定阈值时，系统进入闭环模式。

同时，偏差值馈入励磁顺序器和系统纠正自己，而扭矩是最大的。一旦偏差计数器下降到阈值以下，系统将再次开环运行。

Tang补充道:“与传统的步进电机系统相比，该系统能够在开环和闭环操作之间来回切换，为终端用户提供了更好的性能和更高的可靠性。”

虽然最近在闭环步进电机控制的进步，使步进电机和伺服之间的技术差距比以往任何时候都更近，选择仍然取决于应用，唐说。

如果应用程序要求高速度，伺服电机将工作良好。如果应用要求不高，混合控制步进电机提供了一种低成本的替代方案。”