将闭环功能带到步进电机

步进电机是精致的简单设备，在自动化应用中找到了多种用途。

自动化系统设计人员可以控制哪些步进电机可以控制：指示步进电机向前转动1,000步，并不超过75步和 - 提供有效载荷限制 - 它会这样做。

大多数现代步进驱动器每次旋转可以向下微观到51,200步，这使得能够平滑，低速运动为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，步进电机比其伺服电机对应物便宜。

到目前为止，这么好。

然而，在实践中，步进电机具有固有的限制，可以降低其支持复杂自动化应用的能力。

图片礼貌的NMB技术。在步进电动机中，作为扭矩增加速度降低。SLW系列显示步进电机通常的操作范围。

“步进电机良好，以高扭矩和低速或高速和低扭矩良好。因此，对于您需要高速和高扭矩的应用，步进电机不使用，“英国销售经理Mark Macdonell说三重奏运动科技有限公司。

通过考虑到这些限制，步进电机往往用于低功耗，低有效载荷应用，如3D打印机，CNC，自动螺丝刀，XY绘图仪和微型泵。

开环性能与闭环可靠性

通常，步进系统是开环，这在速度方面具有高性能。当不超过电机负载时，它将在其运行过程中自然地以最大速度运行。

开环系统牺牲与闭环系统相关的可靠性。虽然闭环系统提供辅助验证和性能增强功能 - 为自动位置反馈和校正，先进的自动化开环系统的基本功能不。

图片礼貌的NMB技术。OL控制系统（左）不提供对控制器的位置反馈，而CL控制系统（右）。

但是，有些情况下，您希望步进电机也提供闭环特征，尤其是位置反馈。

“我们在高风险中遇到了这一闭环要求，如实验室测试场景中使用的临床分析仪，”斯科特Jacobs，电机产品NMB Technologies Corporation。

临床分析仪在比色皿中运输样品，使它们通过不同的测试。在这些场景中，最终用户需要确保系统具有正确位置的比色皿并省略正确的试剂或其他材料。

“这些客户不能有一个案例，电机只能略微低于它所应该的金额。他们需要百分之一百分点，肯定电机已经移动了确切的金额，并且他们希望保证步进电机已达到其目标位置，“雅各布解释说。“闭环功能通过使系统仔细检查步进电机的精确位置来提供此保证。”

位置传感技术

在步进电机上提供额外的闭环功能的典型方法是通过添加传感器，该传感器可以在电机的转子位置提供精确的反馈。

“最常见的选择是光学编码器，但市场上还提供了磁性编码器和腐蚀器，”营销分析师和产品专家Johann Tang说东方电机美国公司。

一般来说，光学编码器使用LED光源，代码盘控制光产生的光和探测器以将光信号转换为电输出。增量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.）。

霍尔效应传感器是固态磁性编码器，可提供比光学编码器更低的分辨率，添加柄柄，所以它们不适合需要200或更多步骤旋转一整革命的步进电机。

同时，腐败师（以模拟和数字形式和衡量旋转）提供了类似的鲁布效应传感器和类似的控制分辨率水平。

运动控制

将任何类型的传感器添加到步进电机增加成本并需要复杂的运动控制系统来操作。

“步进电机是简单的，类似的同步装置，如电流以方形波形，所以它们具有几个线圈，驱动卡提供激励电机绕组的电流，”三重奏的MacDonell说。“驾驶员通常将电流划分为”微步“，以进行更精确的轴定位，但速度差价。通常，运动控制器将输出用于步进电机的脉冲流，并指示电机向后或向前移动的方向信号。“

通常，驾驶卡坐在运动控制器和电动机之间。驱动器将方向信号解释并放大从运动控制器接收的低（通常为5V）电源信号，高达24V或48V，并提供几个放大器以物理地驱动电动机本身的绕组。

使用定制驱动程序算法和其他传感器可以在开路和闭环操作之间切换，涉及的复杂性将诱使许多自动化设计人员选择伺服电机，以实现其固有的额外电源和闭环功能。

混合运动控制

可以通过新类混合运动控制系统的出现来减少转向伺服电机的诱惑，该系统为步进电机提供了一种方法，可以在开环和闭环控制之间无缝切换。

混合动力量控制系统将步进电机的OL性能与闭环系统的可靠性相结合。

图像由东方电机提供。混合运动控制系统使能步进电机能够在开环和闭环控制之间切换，使最终用户具有两者的优势。

在这样的系统中，持续监控电机的位置，并且驾驶员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，传感器检测电动机旋转的步数的数量。然后，根据用户设置的标准，步进系统在开环模式下操作时会知道，并且当它应该以闭环模式运行时。

一旦建立了开环和闭环之间的阈值，算法就能够命令运动系统，以基于来自电机的反馈来打开开环和闭环功能。

系统从开环模式开始，而输入计数器连续将其步数（即，其理论位置）与其转子位置计数器（实际位置）进行比较，解释了东方电机的柄汤。

两个位置之间的差异保持在偏差计数器中。当偏差值超过某个阈值时，系统切换到闭环模式。

同时，将偏差值送入激励定序器，并且系统在扭矩最大化时校正自身。一旦偏差计数器下降到阈值以下，系统将再次在开环中运行。

“一个能够从开环来回切换到闭环操作的系统，为最终用户提供了改进的性能和比传统步进电机系统更高的可靠性，”添加唐。

虽然闭环步进电机控制的最近进步使得步进电机和比以前更接近的伺服电机之间的技术差距，但选择仍然取决于应用程序。

如果应用程序要求高速，伺服电机将运行良好。如果应用程序不如要求，混合控制的步进电机提供了低成本的替代方案。“