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闭环步进控制如何工作 ,为什么不仅仅使用伺服器?

时间:2019-12-19 14:42


  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动机的位置 ,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动机的位置 ,那么为什么还要增加步进电动机的闭环控制成本和复杂性呢?

  

  具有闭环控制的步进电机可以替代伺服电机。

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

  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

  闭环步进系统的最常见类型是基于步进损耗补偿 ,也称为步进损耗控制或步进位置保持。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

  最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。

  

  步进电机的闭环伺服控制示意图。

  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 ,但是如果位置丢失可能会对应用造成灾难性的影响 ,则该系统需要低速时高扭矩 ,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) ,闭环步进器可能是最合适的解决方案。