傳統(tǒng)步進電機轉(zhuǎn)型閉環(huán)控制
在工業(yè)自動化中，步進電機的應(yīng)用非常的廣泛。例如工業(yè)機器人、3D打印機、計算機硬盤等都有步進電機的身影。傳統(tǒng)的步進電機可以控制轉(zhuǎn)子的角度位置，而不需要傳感器來控制位置，是一種開環(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)越來越出色，步進電機也開始往閉環(huán)控制上發(fā)展。越來越多廠商推出一體化閉環(huán)電機，填補開環(huán)的步進電機和高性能伺服電機中間階段的空白。當然有人說步進電機沒有必要閉環(huán)控制,使用時不超過它的允許范圍內(nèi)使用就可以。閉環(huán)控制的步進電機肯定有其價值, 它針對那些有高要求但又不至于使用伺服電機的場景, 給市場更多的選擇。
閉環(huán)控制下步進系統(tǒng)精度提升
首先，大家都知道，步進系統(tǒng)便宜過伺服系統(tǒng)很多。因為其成本低, 在自動控制領(lǐng)域步進系統(tǒng)占有率還是很高的, 但步進系統(tǒng)存在丟步的可能性。雖然有微步驅(qū)動可以提高步進電機的準確性, 但微步并不是完全可靠。 有了閉環(huán)控制器, 步進系統(tǒng)精度一點不比伺服差了, 只是速度肯定還是沒法和伺服比。步進電機配合閉環(huán)控制以及光柵尺基本可以實現(xiàn)全閉環(huán)控制，免除機械誤差。在成本遠小于伺服系統(tǒng)的情況下定位精度能達到傳統(tǒng)步進電機無法達到的層次。
閉環(huán)步進電機不是單純給步進電機配一個編碼器，而是按照伺服電機系統(tǒng)的工作原理進行設(shè)計開發(fā)。目前最廣泛應(yīng)用的是電機專用DSP芯片，采用32位的DSP做為主處理器，以保證整個系統(tǒng)的高響應(yīng)和高速，可以做到每隔25微秒就可以調(diào)整一次電機的電流，同時也會配置編碼器。
Leadshine 42CME系列就是應(yīng)用最新的電機專用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電機不再為個別阻力點的安全而降低速度和效率。在阻力點丟失的脈沖，控制器會在阻力點過后自動恢復速度, 并加速補償回丟失的脈沖。
（圖源：Leadshine官網(wǎng)）
步進系統(tǒng)閉環(huán)解決丟步與過沖
對于伺服電機來說，在由高速轉(zhuǎn)為低速時，不可避免地要過沖一段距離，然后再糾正。簡單點說控制器發(fā)一個脈沖給伺服電機時，伺服電機往往不是走一個脈沖，而是走3個脈沖，然后回退2個脈沖。在某些特定運動場合，這種過沖是不允許存在的。恰好的是，步進電機的特點就是不會過沖，結(jié)合步進電機自身的特點和伺服閉環(huán)的控制方式，在此類運動場合中有很大的應(yīng)用空間。
這里可以看一下是全球有名的步進系統(tǒng)制造商日本東方電機。他們著重推的也是集開閉環(huán)控制一體的αSTEP步進電機。在位置偏差不到±1.8°工況下，還是采用開環(huán)模式，電機運行波形與脈沖指令基本吻合無延遲。在過載位置偏差達±1.8°后，切換至閉環(huán)控制對外力影響進行修正。
（圖源：東方電機官網(wǎng)）
在標準的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機械絕對編碼器，可以利用電動機軸檢測±900 轉(zhuǎn)（1800次旋轉(zhuǎn)）的絕對位置。東方電機推出的號稱永不丟步的步進電機在降速曲線不夠的情況下, 出現(xiàn)過沖或丟步，電機會自動回位糾正。整過過程中加減速都經(jīng)過幾百級的速度平滑過渡, 不會有任何突然的振動或變化。
小結(jié)
市面上其實有很多電機產(chǎn)商也推出不少結(jié)合閉環(huán)控制的步進電機，這里不一一列舉，總的趨勢來看步進電機是朝著閉環(huán)或者說混合的方向在發(fā)展。這種趨勢會使步進系統(tǒng)逐漸進入高精度要求的機器，填補開環(huán)步進和高性能伺服中間斷檔的空缺。
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