剖析傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)型閉環(huán)控制

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在工業(yè)自動(dòng)化中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用非常的廣泛。例如工業(yè)機(jī)器人、3D打印機(jī)、計(jì)算機(jī)硬盤等都有步進(jìn)電機(jī)的身影。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)可以控制轉(zhuǎn)子的角度位置，而不需要傳感器來(lái)控制位置，是一種開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

但隨著伺服閉環(huán)控制在高速度，高響應(yīng)，高精度這“三高”上表現(xiàn)越來(lái)越出色，步進(jìn)電機(jī)也開(kāi)始往閉環(huán)控制上發(fā)展。越來(lái)越多廠商推出一體化閉環(huán)電機(jī)，填補(bǔ)開(kāi)環(huán)的步進(jìn)電機(jī)和高性能伺服電機(jī)中間階段的空白。

當(dāng)然有人說(shuō)步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有必要閉環(huán)控制，使用時(shí)不超過(guò)它的允許范圍內(nèi)使用就可以。閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)肯定有其價(jià)值， 它針對(duì)那些有高要求但又不至于使用伺服電機(jī)的場(chǎng)景， 給市場(chǎng)更多的選擇。

閉環(huán)控制下步進(jìn)系統(tǒng)精度提升

首先，大家都知道，步進(jìn)系統(tǒng)便宜過(guò)伺服系統(tǒng)很多。因?yàn)槠涑杀镜停?在自動(dòng)控制領(lǐng)域步進(jìn)系統(tǒng)占有率還是很高的， 但步進(jìn)系統(tǒng)存在丟步的可能性。雖然有微步驅(qū)動(dòng)可以提高步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確性， 但微步并不是完全可靠。

有了閉環(huán)控制器， 步進(jìn)系統(tǒng)精度一點(diǎn)不比伺服差了， 只是速度肯定還是沒(méi)法和伺服比。步進(jìn)電機(jī)配合閉環(huán)控制以及光柵尺基本可以實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，免除機(jī)械誤差。在成本遠(yuǎn)小于伺服系統(tǒng)的情況下定位精度能達(dá)到傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)無(wú)法達(dá)到的層次。

閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)不是單純給步進(jìn)電機(jī)配一個(gè)編碼器，而是按照伺服電機(jī)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。目前最廣泛應(yīng)用的是電機(jī)專用DSP芯片，采用32位的DSP做為主處理器，以保證整個(gè)系統(tǒng)的高響應(yīng)和高速，可以做到每隔25微秒就可以調(diào)整一次電機(jī)的電流，同時(shí)也會(huì)配置編碼器。

Leadshine 42CME系列就是應(yīng)用最新的電機(jī)專用DSP芯片和閉環(huán)控制技術(shù)。42CME是采用了1000線的增量光電編碼器，轉(zhuǎn)矩可以保持在0.2~0.8 N?m。在精度上較普通電機(jī)有很明顯的提升，步距角可以控制在±0.09°。精度的提高意味著步進(jìn)電機(jī)不再為個(gè)別阻力點(diǎn)的安全而降低速度和效率。在阻力點(diǎn)丟失的脈沖，控制器會(huì)在阻力點(diǎn)過(guò)后自動(dòng)恢復(fù)速度， 并加速補(bǔ)償回丟失的脈沖。

步進(jìn)系統(tǒng)閉環(huán)解決丟步與過(guò)沖

對(duì)于伺服電機(jī)來(lái)說(shuō)，在由高速轉(zhuǎn)為低速時(shí)，不可避免地要過(guò)沖一段距離，然后再糾正。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)控制器發(fā)一個(gè)脈沖給伺服電機(jī)時(shí)，伺服電機(jī)往往不是走一個(gè)脈沖，而是走3個(gè)脈沖，然后回退2個(gè)脈沖。

在某些特定運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，這種過(guò)沖是不允許存在的。恰好的是，步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)就是不會(huì)過(guò)沖，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)自身的特點(diǎn)和伺服閉環(huán)的控制方式，在此類運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合中有很大的應(yīng)用空間。

這里可以看一下是全球有名的步進(jìn)系統(tǒng)制造商日本東方電機(jī)。他們著重推的也是集開(kāi)閉環(huán)控制一體的αSTEP步進(jìn)電機(jī)。在位置偏差不到±1.8°工況下，還是采用開(kāi)環(huán)模式，電機(jī)運(yùn)行波形與脈沖指令基本吻合無(wú)延遲。在過(guò)載位置偏差達(dá)±1.8°后，切換至閉環(huán)控制對(duì)外力影響進(jìn)行修正。

在標(biāo)準(zhǔn)的42系列里，轉(zhuǎn)矩覆蓋0.3 ～0.77N?m。編碼器選擇的是自家研發(fā)的ABZO機(jī)械絕對(duì)編碼器，可以利用電動(dòng)機(jī)軸檢測(cè)±900 轉(zhuǎn)（1800次旋轉(zhuǎn)）的絕對(duì)位置。東方電機(jī)推出的號(hào)稱永不丟步的步進(jìn)電機(jī)在降速曲線不夠的情況下， 出現(xiàn)過(guò)沖或丟步，電機(jī)會(huì)自動(dòng)回位糾正。整過(guò)過(guò)程中加減速都經(jīng)過(guò)幾百級(jí)的速度平滑過(guò)渡， 不會(huì)有任何突然的振動(dòng)或變化。

小結(jié)

市面上其實(shí)有很多電機(jī)廠商也推出不少結(jié)合閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)，這里不一一列舉，總的趨勢(shì)來(lái)看步進(jìn)電機(jī)是朝著閉環(huán)或者說(shuō)混合的方向在發(fā)展。這種趨勢(shì)會(huì)使步進(jìn)系統(tǒng)逐漸進(jìn)入高精度要求的機(jī)器，填補(bǔ)開(kāi)環(huán)步進(jìn)和高性能伺服中間斷檔的空缺。

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編輯：jq