添加编码器，控制算法，以提供步进电机的好处

随着制造商使用更快的机器来提高吞吐量，开环步进电机在运行时热量和噪音增加，从而显示出扭矩和加速度的限制。如果从步进电机要求太多的扭矩，它可以在没有警告的情况下失速，并使机器运行停止。

通过在电机中添加编码器并在驱动器控制器中添加伺服控制算法，步进电机可以作为闭环伺服系统运行(图1)，提供许多操作优势，包括:

• 增加扭矩和加速度
• 更高的定位精度
• 更低的功耗，更少的热量，更高的效率
• 安静的操作。

以下是步进电机的基础知识，然后详细介绍这些优点。

步进电机基础

步进电机是一种数字输入/输出装置，当由顺序开关的直流电源驱动时，其轴以基本上均匀的离散角运动转动。一个数字脉冲到步进电机驱动器激励电机增加一个精确的运动角度。随着数字脉冲频率的增加，离散阶跃运动转变为连续旋转。

步进电机传统上作为开环系统运行，没有反馈机制向驱动器/控制器提供速度和位置信息。步进电机因其低成本，出色的定位和简单的操作而广受欢迎，在具有明确负载，重复运动和低速要求的应用中运行最佳，例如插入，进给长度，3D打印，平移和倾斜以及分度。

闭环步进电机系统，如图2所示的集成电机，包含高分辨率增量编码器，以连续地将速度和位置信息传回驱动器/控制器。在控制器中运行的算法使用反馈信息来关闭传统的伺服控制环，围绕电机的转矩，速度和位置，以提供更多的动态性能和运动控制。作为伺服控制系统的一部分，闭环步进电机运行安静而高效，只需要最小的电流来保持命令的位置和速度。

增加扭矩，加速

由于当今许多工业应用需要高速能力，更大的扭矩意味着电机以更高的加速速率运行，以实现更大的机器吞吐量。当推力超过其转矩限制时，开环步进电机将失速(图3)，无法到达目标位置。同时，开环驱动器不知道电机的停止状态，因此机器可能运行效率低下或停止。从电机失速中恢复会导致停机时间，并降低机器的吞吐量。

闭环步进系统产生的峰值扭矩比开环运行的相同步进电机的保持扭矩额定值高出50%。(保持扭矩是衡量需要多大的旋转力来迫使静止的步进电机轴离开位置。)如果转矩需求沿运动轨迹突然变化，闭环步进电机可以通过增加电机转矩来继续运行，而不是失速。

除了增加扭矩和加速度外，闭环步进系统还可以实现步进电机不可能实现的控制方案，例如限矩速度控制和限矩位置控制。这些控制方案使步进电机能够用于开环步进电机禁止的应用中，例如扭矩控制和进给力应用。

更高的定位精度

定位应用，如拾取和放置，标签和扫描需要精确的运动。传统的开环电机不能保证每次都能到达目标位置。闭环步进电机系统更准确，由于恒定的位置反馈(感谢编码器)在伺服控制回路。步进电机不再失去(或增加)步，因为开环控制。知道电机在任何时候都在哪里创造了一个本质上更准确的系统。

更低的功耗

电力消耗对机器的运行成本有直接影响。步进电机以发热著称。这是因为开环步进电机系统的电子元件不断地向电机提供电流，无论负载是否需要转矩。这种过剩的电流产生热量。

用户可以通过使用闭环步进电机系统来节省能源，当做同样的工作时，闭环步进电机系统消耗的功率高达传统开环系统的1/3。而不是在全电流下运行，闭环电机系统只吸收与扭矩需求成正比的电流，节省能源，运行温度比开环电机低。通过来自编码器的反馈，监控命令轴位置与实际位置，当负载不需要扭矩时，驱动器会自动减少电机的电流。如果负载较轻，电机吸收的电流较小，运行温度较低。整体电流减少节省功率超过传统的步进电机系统，并大大提高电机效率。

安静的操作

众所周知，开环步进电机会产生可听到的噪音。部分原因是由于定子齿的高频率和快速磁通变化。另一个影响因素是电机在满载电流下的运行，而不管负载如何。当闭环步进系统以足够的电流来控制负载时，电机绕组中的电流越小，噪声就会降低10 dB。在工厂设置中，如果步进电机的多个轴同时运行，这种可听噪声的差异可能是明显的。在对噪声敏感的应用中，如医疗设备和自动化实验室设备，用户欣赏这种可听噪声的差异。

下一代

与传统的开环步进电机系统相比，闭环步进电机提供了许多优点，包括更高的扭矩和加速度，更高的机器吞吐量，更高的定位精度，更少的加热，更高的效率和更安静的操作。集成电机，驱动器和编码器的设计是步进电机技术的下一个发展。每个集成电机是一个闭环步进系统，集成了步进电机，高分辨率增量编码器，闭环伺服驱动器和控制器。与单独的电机和驱动组件相比，这种设计还可以通过消除将单独组件连接在一起所需的电线和电缆来减少空间。它们还可以降低成本和安装时间，同时提供闭环系统的性能优势。

闭环步进电机将步进电机的最佳功能与伺服系统性能相结合，为包装和标签，自动化测试和测量以及自动化装配等应用提供高性能运动控制解决方案。

埃里克·赖斯全国市场总监是应用运动产品公司Bob Vavra编辑，内容经理，设备工程， CFE传媒，bvavra@cfemedia.com。

关键词:闭环控制，步进电机

步进电机采用闭环控制可提高性能。

更高的定位精度高，热量少。

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