改进的步进电机系统支持更多应用

新的步进电机技术可以应用到更多的应用，比以前更低的成本比其他选项。几乎每一个工业机械应用都涉及到创建和控制某种类型的运动。当设计师考虑价格和性能要求时，气动选项可能是一个低成本的好选择，而液压可以提供最终的力量。然而，最通用的动力是某种形式的电动机。

对于工业应用，术语运动控制通常被理解为仅仅是仅仅旋转电动机以产生运动。真正的运动控制通常涉及使用某种形式的致动，以准确地命令设备元件的位置，速度和/或加速度。

标准交流感应电机和直流电机最适用于简单的开/关和固定或变化速度的连续操作，但它们不适合定位和精细控制。伺服控制器、驱动器和电机为所有类型的运动控制提供了极高的性能，但它们的复杂性提高了工程和采购成本(图1)。

步进电机占据了甜蜜点，比标准的AC INC INCOUPTION或DC电机提供更大的控制精度，远远低于伺服解决方案。步进电机系统具有一些局限性，但较新的高压总线版本克服了其中一些问题，并使该技术成为更多应用的可行选择。本文识别步进电机系统可以是最佳运动控制解决方案。

5个电机技术，常用用途

指定任何电动马达系统都需要了解负载，以及它需要如何从力、速度和精度方面移动。耐用性和初始/运行成本也很重要。工业应用中最常见的电机类型有:

• 交流感应:适用于适用于一般应用的各种形式因子和马力等级，以固定速度为单独的接触器或可变频率驱动的可调速度运行。
• DCmotors:以低速提供良好的扭矩，并且需要一个相关的DC驱动器，这通常提供合理的速度控制。
• DC步进器：提供更好的速度控制，因为快速脉冲命令电机以小步骤快速移动，但这些电机以较低的速度操作，具有较小的力。
• 高母线电压步进器:基本上与DC踏板相同，但是驱动器接受AC电力并产生更高的直流母线电压，以提高速度和扭矩能力。
• 伺服：在整个速度范围内提供高速度和全扭矩，具有超精确的位置、速度和速度控制。

为了以可变速度操作这些电机，每个列出的电机类型都需要一个相关的驱动器。高级控制命令，特别是协调运动，需要单独的控制器，其可以是专用运动控制器，或者可以是更高端可编程逻辑控制器（PLC）或PC。在某些情况下，控制器和驱动功能可以在一个设备中组合。

如果所有评级匹配，则通常可以将电动机，驱动器和控制器从不同的供应商集成，但对于更复杂的系统（特别是伺服和步进），许多用户发现它更有效地从单个投资组合中选择产品以获得最佳兼容性。它还更容易从一个供应商而不是几个供应商获得支持。

反馈与运动控制

运动控制服务中使用的电机通常通过齿轮箱、齿带、齿条和小齿轮等装置连接到机械设备上，因此无论最终结果是旋转还是线性，它们都能与被驱动设备保持直接的无滑移运动传输关系。

开环电机控制描述了电机命令操作时，但未监控实际电机或设备操作，因此没有反馈识别运动精度。

闭环电机控制依赖于设备上安装的传感器或电机本身，提供操作反馈，因此控制器可以精确调节指令的运动。

AC诱导和直流电动机通常被认为是安装和维护的最简单类型的电机。这部分是因为它们通常作为开环操作，尽管设备上可能有一些传感器来提供指示。例如，简单的起重机可以使用反转电机升力或降低负载，仅依赖于行进端限制开关。

伺服电机需要更多的设计和安装工作。它们集成了精确的电机传感器，使它们成为操作机器人手臂关节或X-Y-Z笛卡尔定位器的理想选择，因为它们可以不断更新电机(以及驱动设备)的位置、速度和加速度。

精确的闭环步进操作

大多数步进电机都占据了一个中间地面，因为它们被精确地命令，尽管通常没有恒定的闭环反馈。但是，可以 - 并且变得更加常见 - 操作步进电机作为闭环。此外，具有集成驱动器的更高级步进电机正在变为可用，并提供内置闭环控制的形式。

为了了解步进电机可以是与伺服电机相比的较低成本运动控制替代品的正确设计选择时，还有一些细节是相关的。

什么时候使用步进电机和伺服电机

对于运动控制应用程序，每条旅行路径称为一个轴，可以是旋转的或线性的。有时像机器人、定位设备和印刷机等复杂的组件有许多轴，它们之间必须密切协调。对于这些情况，由内置路径规划器的专用运动控制器操作的伺服系统通常是最好的。

然而，对于许多单轴应用程序，步进器可以提供更好的性价比。步进电机有其他独特的特点，有助于某些应用:

• 没有抖动/抖动零速度
• 当驱动器处于停滞状态时节省能量并减少加热的空闲电流减少选项，而不是由重力或其他一些力加载

步进电机由驱动器产生的脉冲列车驱动。与完整的360度电机旋转有共同的200步，因此每个完整步骤代表1.8度的旋转。然而，大多数用户选择更精细的踩踏模式 - 称为MicroRoStepping - 例如每次旋转的半步，四分之一步骤甚至高达10,000或50,000步（图2）。

微步进提供了更平滑的操作，但由于微步进模式变得更精细，控制器所需的最大脉冲频率也会更高，因此存在一些折衷。这也提出了步进扭矩随着电机速度的增加而下降的观点，因此可用速度必须与机械运动传动规定平衡。

步进归巢和定位验证

出现另一个考虑因素，因为标准步进系统没有内置正闭环反馈，因此必须包括用于归位和定位验证的设计规定，以识别步进电机是否已经停滞或丢失了同步。这些行动很简单，但需要一些编程工作，提高前端设计考虑因素，并且有可能在执行时消耗运行时间。

正如在读取负载之前的称重秤必须被焦化为零，步进系统必须经过归位程序以建立未来移动的位置基线。归位程序必须在调试或上电期间执行，并且可以在操作期间定期执行。

位置验证就像归位，但在操作期间更快检查以确认位置如预期的那样。尽管最严格的应用程序可能需要验证每个周期的一个或多次验证，但它可以间歇地执行。

导航和位置验证都是通过将设备驱动到由位置开关监控的已知位置来执行的。也可以在步进电机或驱动设备上安装增量或绝对编码器来监控运动活动，提供一种伪闭环的位置验证方法。

六种越来越复杂的运动控制应用

无论是伺服系统还是步进系统，通常都用控制器来控制电机的转动。以下是一些典型的运动控制类型，以增加复杂性为顺序:

1. 以恒定的速度旋转
2. 旋转一定数量的程度并停止
3. 从一个速度加速到另一个速度（线性，或s曲线）
4. 从一个停止的位置，加速到一个速度，然后在完成一定度数的运动(梯形运动)后减速回零速度
5. 匹配外部编码器(传动装置)的速度
6. 跟随凸轮轮廓线(跟随基于外部编码器输入的复杂运动轮廓线)。

基本步进驱动器不智能，因为它们只接收由控制器命令的脉冲系，并放大器以提供电机所需的电压脉冲。一些步进驱动器可以包含控制器，但通常使用PLC或PC等外部控制器，使用具有高速数字输出的PC。特别是，与高速离散输出卡和步进驱动器一起使用的PLC对于单轴控制具有吸引力，因为许多自动化机器已经使用PLC。

更新的步进器:更大的功率，交流电源，更高的扭矩

典型的步进电机驱动器必须由低电平直流电压(12 v、24 v,等等),但新设计可以提供120/230V交流并生成相应更高的总线电压(图3)。这反过来使兼容的汽车可以实现更高的扭矩在更高的速度比标准的步进。

步进电机可提供各种标准的NEMA尺寸。它们的尺寸紧凑，使其易于设计成机械。较大的版本可用，例如NEMA 42，提供7.5 HP AC感应电机的等效扭矩（低速）。

由于步进电机没有其他电机类型的过载能力，所以一个工业的拇指规则是尺寸步进电机和驱动器，因此预期负载仅使用50％的可用扭矩以避免潜在的停滞条件。设计师还必须牢记步骤的速度限制。始终看看步进电机的速度扭矩曲线，以确定电机是否能够以施加所需速度提供足够的扭矩。

广泛应用于步进电机

大多数设计师都熟悉使用交流感应和直流电机进行基本设备的运动，他们知道伺服电机是高要求的运动控制应用(如机器人)的高性能解决方案。

对于需要精确的单轴或简单的多轴运动的低功效，步进电机系统可以提供可靠的运动控制，伺服系统成本约为25％。较新的高总线电压步进硬件提供改进的扭矩特性，使台山脉适用于更多应用。设计人员应与提供步进电机选项组合的供应商合作，看看它们是下一个项目的有利选择。

乔康贝尔是运动控制产品的产品经理自动化程度．由内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程，CFE Media and Technology, mhoske@cfemedia.com。

关键词：运动控制，采用步进电机

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