步进电机采用伺服应用闭环技术

技术进步正在改变步进电机和伺服电机之间的性能成本比，以满足越来越多的苛刻的工业自动化应用。由于采用了闭环技术，更便宜的步进器正在进入被认为是更昂贵的伺服系统的专属领域。

步进和伺服

传统观点认为，伺服控制系统在要求转速大于800转/分钟(RPM)以及需要高动态响应的应用中具有优势。步进电机在低速运行，产生低到中等加速度，和/或需要高保持扭矩的应用中更可取。然而，传统的智慧并没有考虑到步进和伺服电机的其他方面。

电机设计

步进电机一步一步地旋转，利用磁线圈一步一步地将磁铁从一个位置拉到下一个位置。为了在给定的方向上移动电机100个位置，电路使电机行走100次。步进器使用脉冲增量移动，可以在没有反馈传感器的情况下精确定位。

伺服电机使用一个磁性转子，该转子连接到一个位置传感器，它不断地感应电机的准确位置。伺服监控电机的实际位置和命令位置之间的差异，并相应地调整电流。这个闭环系统使电机保持在轨道上。

简单性和成本

步进器比伺服器便宜，更容易委托和维护。步进是稳定的休息和保持他们的位置，即使有动态负载。然而，随着某些应用需求的增加，必须应用更昂贵和复杂的伺服系统。

定位

步进电机和伺服电机之间的一个关键区别是在应用中需要了解机器在每一刻的精确位置。

在开环步进控制运动应用中，控制系统假定电机始终正确地移动。然而，当遇到问题时，例如卡住部件导致电机失速，控制器不知道机器的实际位置，导致其失去位置。伺服固有的闭环系统具有一个优势:如果机器被物体卡住，它将立即被感知。机器将停止运行，永远不会失去位置。

速度和扭矩

步进和伺服之间的性能差异源于它们不同的电机设计。步进电机比伺服电机有更多的极点，因此一个完整的步进电机旋转需要通过绕组进行更多的电流交换，导致其转矩随着速度的增加而急剧下降。

此外，步进器可以失去他们的步进同步，如果超过最大扭矩。由于这些原因，伺服系统是大多数高速应用的首选。相反，步进电机的高极数有一个有益的影响，在较低的速度，使步进电机的扭矩优势超过相同尺寸的伺服电机。

热量，能源消耗

开环步进电机以恒定的电流运行，并释放出大量的热量。闭环控制通过仅提供速度环所需的电流来避免热量问题。伺服控制系统最适合于涉及动态负载变化的高速应用，如机械臂。运动控制系统需要伺服系统的特性，必须证明这些电机的较高成本。步进控制系统适用于需要低到中等加速度和高保持扭矩的应用，如3-D打印机，输送机和附件轴。由于步进器价格较低，可以降低自动化系统的成本。

改变看法

如果闭环伺服技术的优点可以适用于步进器呢?步进器的成本效益能否实现，如果他们实现了类似伺服的性能?

采用闭环技术旨在帮助步进器在低成本的步进器包中提供伺服和步进器的综合好处。由于其显著的性能和能源效率的提高，闭环步进器可以在越来越多的苛刻应用中取代更昂贵的伺服系统。集成电子控制步进电机作为一个两相无刷直流(BLDC)电机，实现位置环，速度环，DQ控制和附加算法。闭环换向，通过绝对，单圈编码器，有助于确保在任何速度下的最佳扭矩利用。

能耗少，热量少

步进电机是能源的高效消费者。不像开环步进总是用全电流指挥，导致热量和噪音，电流只在需要时流向步进，例如在加速和减速期间。像伺服系统一样，这些步进器消耗的电流与任何给定时刻所需的实际扭矩成比例。由于电机和集成电子运行冷却，步进器可以实现与伺服相关的更高峰值扭矩水平。

性能需求

为了确保有足够的扭矩来克服干扰并避免丢失步长，开环步进器的扭矩通常比应用所需的扭矩至少高出40%。这不是闭环步进器的情况。

当这些步进过载到失速状态时，它们继续保持负载而不失去扭矩。在移除阻塞负载后，它们继续运行。在任何给定速度下保证最大扭矩，同时位置传感器确保没有步骤丢失。因此，闭环步进器的尺寸可以与应用程序的扭矩要求紧密匹配，而没有40%的额外余量。

对于开环步进器，由于丢失步长的风险，难以实现高瞬时扭矩要求。闭环步进能够非常快的加速度，运行安静，具有比传统步进电机更低的共振，以及在更高的带宽下运行。步进器的设计将电子设备与电机集成，减少布线并简化实施，从而实现了无机柜机器的创建。

闭环步进，木刻

一家制造和销售数百台用于制造窗户木框的精密数控机床的全球自动化公司，从伺服电机转向了闭环步进电机。在切换之前，制作木框的应用和过程需要在每台机器上安装大约20到30个气动和电子伺服电机。

伺服系统的成本反过来又对每台机器的总体成本产生了重大影响。独立安装的伺服编码器所需的大量额外电缆延长了安装时间，并使维护更加复杂。

为了降低成本，该公司开始了一个试点项目，用步进电机取代一台机器中的伺服系统。目的是确定闭环步进电机是否可以与他们的木材加工机器一起使用，并且仍然达到性能目标。在这个项目中，只有电机将被改变——运动控制器和通信协议将保持不变。

仅仅几个月后，在一些技术支持下，该公司就能够建立基于步进的机器，并达到实施目标。维护也简化了，因为步进电机与电子集成，这意味着需要更少的电缆。

下一步是确定步进电机版本的机器是否能满足精度、加速度、能耗和其他关键性能指标。

经过一个月的试验过程，该公司得出结论，闭环步进电机使机器满足所有规格和机器性能要求，同时降低复杂性和成本降低超过5%每台机器。

新型步进应用

闭环步进电机改变了许多应用的运动控制的性能成本比。卓越的精度和能源效率使步进电机在更昂贵的伺服电机占主导地位的应用中运行。闭环步进器是多轴应用的理想选择，负载变化的定位任务，以及其他需要安静操作，短沉降时间和精确定位的应用。

印加Balter、营销传播、Servotronix。由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

更多的建议

关键概念

• 步进电机比伺服电机更便宜，需要更少的功率。
• 步进电机可用于通常由伺服电机运行的应用程序。
• 在试播中程序，步进电机被发现满足机器和性能规格，同时削减成本。

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