大家都很熟悉的傳統(tǒng)的步進電機控制方式，如果采用了反饋裝置或者無傳感器控制方式，將可以為那些對安全性、可靠性和精度有較高要求的運動控制應(yīng)用提供更經(jīng)濟的選擇。 　　 大部分基于步進電機的運動系統(tǒng)運行在開環(huán)狀態(tài)下，因此能夠提供低成本的解決方案。實際上，步進系統(tǒng)是唯一的一個不需反饋就具備位置控制能力的運動技術(shù)。但是當(dāng)步進電機以開環(huán)方式驅(qū)動負載時，在指令步和實際步之間存在失去同步的潛在可能性。 　　 閉環(huán)控制作為傳統(tǒng)步進運動控制的補充，為有更高安全性、可靠性或產(chǎn)品質(zhì)量要求的應(yīng)用提供了高性價比的選擇。反饋裝置或某種間接參數(shù)檢測方式在這類步進系統(tǒng)中“閉合了回路”，以校驗/控制失步、檢測電機堵轉(zhuǎn)，并保證了更大的有效力矩輸出。最近，步進閉環(huán)控制（CLC）在實現(xiàn)智能分布式運動體系結(jié)構(gòu)方面也發(fā)揮了作用。 　　 可行的閉環(huán)控制方法及其優(yōu)點 　　 有幾種技術(shù)目前可實現(xiàn)對步進電機位置、速度和/或力矩的閉環(huán)控制。按照可控性的程度遞增排列，這些技術(shù)包括：計步、反電動勢（emf）檢測和全伺服控制（詳見“閉環(huán)控制方法”的補充說明）。 　　 National Instruments（NI）公司工業(yè)控制產(chǎn)品經(jīng)理Rahul Kulkarni提到了幾條采用閉環(huán)步進控制的理由與適用場合： 　　●無需進行參數(shù)調(diào)整；系統(tǒng)很容易建立，一般可以做到免維護。 　　●在連續(xù)移動中允許利用斷點觸發(fā)攝像機或數(shù)據(jù)采集設(shè)備。 　　●控制位置過沖，在某些場合這種過沖是不允許的，例如納米制造或半導(dǎo)體加工。 　　●在運動結(jié)束時糾正位置偏差。 　　 最后一條，雖然需要根據(jù)系統(tǒng)負載和慣量要求選擇合適大小的步進電機，但也許并不需要這么嚴格。“在實際工作中，如果你的應(yīng)用沒有對運動路徑或軌跡的嚴格要求，你可以稍微降低電機規(guī)格等級以節(jié)省成本。這就是閉環(huán)步進控制能夠發(fā)揮作用的地方?！盞ulkarni說。 　　 NI公司所有的運動控制器——NI 733x（僅適用步進）與NI 734x和高性能模塊 NI 735x（步進/伺服）——都能夠配置為對步進進行閉環(huán)控制。根據(jù)他的解釋，在CLC模式下，步進軸采用正交編碼器或模擬輸入來進行位置和速度反饋。 　　 Baldor Electric公司認為，步進電機的簡單、廉價使它成為對負載進行定位控制的理想選擇。Baldor 公司的電機產(chǎn)品經(jīng)理John Mazurkiewicz解釋說，使用步進電機的原因包括：操作簡單（通常在開環(huán)狀態(tài)下使用）；由于可接受數(shù)字脈沖輸入而變得易于與其他設(shè)備接口；成本低廉，因為一般不需要反饋裝置。 　　 然而，開環(huán)運行會帶來失步的風(fēng)險，從而引起定位不準(zhǔn)?！暗热藗儾煊X到該錯誤的發(fā)生，生產(chǎn)線上往往已經(jīng)出了很多次品，”他說?！傲硗?，當(dāng)移動更重的負載而使步進電機工作在最大力矩點附近的時候，以及為了提高生產(chǎn)率而提高加速度的時候，會有更高的失步堵轉(zhuǎn)風(fēng)險?！痹黾臃答伩杀荛_對傳統(tǒng)步進電機的這些限制。 　　 閉環(huán)步進電機可以采用低成本編碼器，這是相對于那些在伺服系統(tǒng)中使用的編碼器而言的，這帶來了進一步的好處：“通常情況下，步進應(yīng)用可以使用單端編碼器，而且不需要電子換相反饋信號?！盡azurkiewicz補充說。 　　 根據(jù)Baldor的觀點，CLC步進電機對輕載和非常短的移動特別有效。典型的工業(yè)應(yīng)用包括數(shù)控系統(tǒng)、流程控制與打印和包裝系統(tǒng)中的X-Y工作臺和旋轉(zhuǎn)定位設(shè)備。 　　 Parker Hannifin/ Compumotor公司在對零速穩(wěn)定性有要求和位置校驗有要求的場合下推薦使用閉環(huán)步進運動。“步進電機能很好地滿足這種需求，并且這種需求是當(dāng)前的主流需求?！惫こ探?jīng)理John Walewander說。 Parker公司已經(jīng)在無傳感器技術(shù)方面進行了大量的投資，并且已經(jīng)開發(fā)出具有專利的數(shù)字技術(shù)，它無需外部附加裝置便可完成閉環(huán)任務(wù)，從而取代了電機上的反饋裝置。 [align=center] 圖1：Intelligent Motion Systems公司在其MDrive 系列上安裝一個可選編碼器， 使運動控制器和NEMA 14、17、23、和34步進電機的微步進驅(qū)動器成為一體， 圖示為MDrive17。[/align] 這些技術(shù)——有源阻尼和無編碼器堵轉(zhuǎn)檢測——應(yīng)用于Parker公司的 Gemini微步進（細分）驅(qū)動器產(chǎn)品家族。Walewander希望對這些復(fù)雜的算法進一步開發(fā)使它們效率更高，這樣小型的和低成本的驅(qū)動器也能共享這些技術(shù)?！敖?jīng)過持續(xù)的改進和升級，相信堵轉(zhuǎn)檢測和抗諧振技術(shù)將與今天的微步技術(shù)一樣得到普及。”他總結(jié)說。 　　 Intelligent Motion Systems有限公司應(yīng)用工程經(jīng)理Bob Parente說：“閉環(huán)步進電機可用于需要位置確認的重要場合?！弊鳛槔铀昧藢嶒炇矣米詣踊瘜W(xué)/血液分析儀，儀器中應(yīng)用了許多運動軸將測試樣本定位在適當(dāng)?shù)脑噭┡渌推飨?，同時另有一些步進電機回退，加載準(zhǔn)確數(shù)量的化學(xué)試劑，然后向前移動以正確的順序和數(shù)量分配試劑—一個類似于使用多個注射器的過程?！叭魏屋S上的任何定位錯誤都將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或不正確的結(jié)果?！?Parente說。 　　 增加的成本是否物有所值 　　 任何系統(tǒng)增加額外的元件或開發(fā)過程都帶來額外的成本。對閉環(huán)步進系統(tǒng)而言也是這樣，雖然獲得了很多好處，仍然帶來了一點額外的成本。 　　 “即使增加了一點反饋裝置的成本，與其他閉環(huán)運動控制技術(shù)相比步進電機仍然是低成本的解決方案?！?Parente解釋說，“為保證結(jié)果的精確性，付出這點額外的成本是值得的。在重要的應(yīng)用場合一個錯誤所帶來的成本損失將遠遠高于反饋元件的成本?！本幋a器或旋變的作用類似一種提前保險，使我們確信步進電機正工作在正確位置。 　　 在Baldor公司看來，零件精確度和質(zhì)量的提高源于閉環(huán)控制，其方法是在機器或運動系統(tǒng)中進行實際測量位置和理想位置的比較?！叭绻嬖诓灰恢?，電機就會運動以補償任何失步?！盡azurkiewicz說。反饋裝置和閉環(huán)方法的成本與收益是否合理將取決于具體應(yīng)用。“要付出多少額外的成本取決于所要求的機器性能、生產(chǎn)效率、位置精度和所期望的零件質(zhì)量?！彼a充道。 　　 另外，被控過程中材料的價值也會影響成本方程式的平衡?！安竭M電機經(jīng)常被用于處理非常昂貴的材料，從電子元件到DNA樣本?！?Parker Walewander說?！盀榉乐故Оl(fā)生而增加反饋的額外成本是值得的?！?Parker 進一步提到無傳感器技術(shù)一樣能夠得到很多基于傳感器的反饋技術(shù)的優(yōu)點，并且以更低的成本提高步進電機控制性能。Walewander補充說：“隨著新一代數(shù)字式步進電機控制技術(shù)的進步，將會越來越少地依賴于外部傳感器反饋并為機器制造商節(jié)約成本?！? 　　 市場觀點 據(jù)增量運動控制協(xié)會——運動控制領(lǐng)域的專業(yè)咨詢組織估計，有8％～10%的混合步進電機應(yīng)用采用了步校驗控制。其主席 Dan Jones認為目前使用其他閉環(huán)步進控制法的比例更少：使用反電動勢檢測的小于1%，使用全伺服控制也僅占市場的約1%。但是，據(jù)Jones預(yù)測，“全伺服”方式的增長會比其他方法更快。 　　 Intelligent Motion Systems公司也有類似的觀點，其閉環(huán)步進應(yīng)用的銷售量保持在10%左右。為了幫助用戶對是否需要閉環(huán)系統(tǒng)的疑問做出決定，Parente希望用戶回答下面的問題：“如果步進電機處于錯誤的位置對產(chǎn)品會產(chǎn)生什么影響？” “在問題得到解決之前銷毀劣質(zhì)產(chǎn)品產(chǎn)生的代價是什么？”如果那樣的成本是可以忍受的，那么使用開環(huán)系統(tǒng)就行了?！坝涀?，90%的步進系統(tǒng)都是開環(huán)的”他補充說。 [align=center] 圖2：Parker Hannifin/Com-pumotor公司應(yīng)用有源阻尼技術(shù)（一種無傳感器 閉環(huán)控制方式）使步進電機發(fā)揮更多的力矩裕量， 而傳統(tǒng)步進電機不能安全運行在保留力矩區(qū)。[/align] National Instruments 公司的Kulkarni認為，20世紀(jì)90年代在半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域之所以閉環(huán)控制步進電機應(yīng)用獲得了增長，是因為在潔凈室環(huán)境中更加苛刻的運動控制要求。在那時選擇無刷伺服電機仍然太過昂貴。“因此工程師們轉(zhuǎn)向使用閉環(huán)步進配置，他們希望在性能和成本兩方面都取得最佳?！彼f。然而從那時起到現(xiàn)在無刷伺服驅(qū)動器和電機的成本已經(jīng)大幅下降了?！敖裉?，閉環(huán)步進電機的應(yīng)用應(yīng)該處于平穩(wěn)或下降狀態(tài)。”Kulkarni說。 　　 對Baldor公司來講這仍然是新的應(yīng)用領(lǐng)域。在今后的閉環(huán)應(yīng)用中，Baldor公司預(yù)計多達20%的符合NEMA標(biāo)準(zhǔn)尺寸17、23和34號的步進電機上或許將使用編碼器。 　　 Parker Hannifin公司估計有10%～15%的“精確步進應(yīng)用”使用編碼器?！叭绻麑⑺行袠I(yè)的步進電機都包括在內(nèi)，這個百分比會更低。” 根據(jù)Walewander的說法。“使用外部硬件來做閉環(huán)控制的應(yīng)用在減少，而使用無傳感器技術(shù)的應(yīng)用在增加?！彼a充說。 　　 Parker相信無傳感器技術(shù)擁有光明的前景。隨著這些技術(shù)的進步，市場上將會有兩類電機，極數(shù)較多的（步進）電機和極數(shù)較少的（伺服）電機，兩種都可以有反饋或者無反饋。Walewander總結(jié)說：“采用無傳感器技術(shù)的電機將被用于許多目前需要伺服系統(tǒng)的動態(tài)應(yīng)用中，而有傳感器的電機將被用于定位應(yīng)用中?！?