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闭环高速步进电机是如何工作的?为什么不直接使用伺服电机?

2019-09-24

步进电机本质上是开环设备。它们不需要反馈,因为驱动器传递的每个电流脉冲等于电动机的一个步长(对于微步进,则等于一小部分步长)。加上较小的步长(或步距角),就可以非常精确地确定电机的位置,而无需反馈装置和复杂的控制方案。

步进电机本质上是开环设备。它们不需要反馈,因为驱动器传递的每个电流脉冲等于电动机的一个步长(对于微步进,则等于一小部分步长)。加上较小的步长(或步距角),就可以非常精确地确定电机的位置,而无需反馈装置和复杂的控制方案。


因此,如果可以在开环系统中确定步进电机的位置,那么为什么还要增加步进电动机的闭环高速控制成本和复杂性呢?

闭环高速步进电机

因为只有在电机永不失步的情况下,才可以准确了解电机的位置。在现实世界中,有多种情况可能会导致电机失步或错步–例如,机器卡纸阻止了电机轴的旋转。


为了应对这些可能性,步进电机通常尺寸过大,以应对扭矩尖峰,堵转或其他异常情况,否则可能会导致电机错过步距。但是,如果丢失的步骤可能对应用程序或过程有害,则另一种解决方案是在具有位置反馈的闭环系统中操作步进电机,以检测并纠正定位错误。


步进电机通常有三种类型的闭环控制,每种类型提供不同级别的定位控制和复杂性。


失步补偿:移动结束时进行无功位置校正

闭环高速步进电机的最常见类型是基于步进损耗补偿,也称为步进高速损耗控制或步进高速位置保持。在这种设置下,驱动器以微步进模式运行,编码器跟踪轴(或负载)的位置。如果检测到失步,则根据命令位置(步数乘以步角)相对于编码器读取的实际位置,控制器将命令附加步,以使电动机(或负载)达到所需位置。


失步补偿是步进电机最简单的闭环方案,如上所述,它是最广泛采用的方法,但是它的主要缺点是,它仅补偿运动结束时遗漏的步,而不是在整个运动过程中连续补偿。移动个人资料。


负载位置控制:连续,实时的位置校正,无需复杂的控制

负载位置控制,也称为闭环微步进,连续监视轴(或负载)位置并生成错误信号。在整个移动过程中,控制器使用此错误信号实时调整命令。


通过负载位置控制,该系统仍可在微步进模式下作为步进系统运行,但可以更精确地遵循运动曲线,而不是在运动过程中允许电动机偏离方向,并在运动结束时发出单个位置补偿命令。


伺服控制:完全控制扭矩和位置

较先进的闭环步进控制方法是将电动机作为两相无刷(BLDC)电动机运行。(请注意,许多步进电机的两相偏移90°,而无刷直流电机的三相相偏移120°。)此方法称为伺服步进或闭环步进控制。


使用步进电机的伺服控制,而不是驱动器向电机提供全电流以产生运动,编码器的反馈会检测到轴的位置,然后由控制环(通常为PID环)确定轴跟随所需的确切扭矩移动配置文件。换句话说,电动机是通过转矩指令而不是电流脉冲来驱动的。

闭环高速步进电机的伺服控制示意图

因为它仅提供实现运动曲线所需的电流,所以伺服控制方法比其他步进控制方法具有更高的效率。更高的效率意味着更少的热量和更长的电机寿命。伺服控制还消除了困扰其他控制方法的共振问题,在低速时提供高转矩,并允许电动机使用其全额定转矩而不受拉出转矩的限制。而且,尽管比开环系统复杂,但是与实施完整的伺服系统相比,对步进电机实施伺服控制的要求仍然较低。


请注意,还有另一种闭环步进控制方法,通常称为无传感器控制。这种方法没有反馈装置。相反,控制器使用间接方式(例如测量反电动势)来确定转子位置。但是,无传感器控制很难实施,并且无法提供有关电机估计位置的高度确定性。 


使用闭环控制的步进电机系统仅占步进电机应用的一小部分,但是如果位置损失可能会对应用造成灾难性的影响,则该系统在低速时需要高扭矩,相对简单的结构以及相对较低的成本(与真正的伺服电机系统),闭环高速步进电机可能是最合适的解决方案。

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