大家都很熟悉的傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制方式，如果采用了反饋裝置或者無(wú)傳感器控制方式，將可以為那些對(duì)安全性、可靠性和精度有較高要求的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用提供更經(jīng)濟(jì)的選擇。 　　 大部分基于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行在開環(huán)狀態(tài)下，因此能夠提供低成本的解決方案。實(shí)際上，步進(jìn)系統(tǒng)是唯一的一個(gè)不需反饋就具備位置控制能力的運(yùn)動(dòng)技術(shù)。但是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)以開環(huán)方式驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，在指令步和實(shí)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(jìn)運(yùn)動(dòng)控制的補(bǔ)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(jià)比的選擇。反饋裝置或某種間接參數(shù)檢測(cè)方式在這類步進(jìn)系統(tǒng)中“閉合了回路”，以校驗(yàn)/控制失步、檢測(cè)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，并保證了更大的有效力矩輸出。最近，步進(jìn)閉環(huán)控制（CLC）在實(shí)現(xiàn)智能分布式運(yùn)動(dòng)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(diǎn) 　　 有幾種技術(shù)目前可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)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(jì)步、反電動(dòng)勢(shì)（emf）檢測(cè)和全伺服控制（詳見“閉環(huán)控制方法”的補(bǔ)充說(shuō)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(jìn)控制的理由與適用場(chǎng)合： 　　●無(wú)需進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；系統(tǒng)很容易建立，一般可以做到免維護(hù)。 　　●在連續(xù)移動(dòng)中允許利用斷點(diǎn)觸發(fā)攝像機(jī)或數(shù)據(jù)采集設(shè)備。 　　●控制位置過(guò)沖，在某些場(chǎng)合這種過(guò)沖是不允許的，例如納米制造或半導(dǎo)體加工。 　　●在運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)糾正位置偏差。 　　 最后一條，雖然需要根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載和慣量要求選擇合適大小的步進(jìn)電機(jī)，但也許并不需要這么嚴(yán)格?！霸趯?shí)際工作中，如果你的應(yīng)用沒(méi)有對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑或軌跡的嚴(yán)格要求，你可以稍微降低電機(jī)規(guī)格等級(jí)以節(jié)省成本。這就是閉環(huán)步進(jìn)控制能夠發(fā)揮作用的地方。”Kulkarni說(shuō)。 　　 NI公司所有的運(yùn)動(dòng)控制器——NI 733x（僅適用步進(jìn)）與NI 734x和高性能模塊 NI 735x（步進(jìn)/伺服）——都能夠配置為對(duì)步進(jìn)進(jìn)行閉環(huán)控制。根據(jù)他的解釋，在CLC模式下，步進(jìn)軸采用正交編碼器或模擬輸入來(lái)進(jìn)行位置和速度反饋。 　　 Baldor Electric公司認(rèn)為，步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單、廉價(jià)使它成為對(duì)負(fù)載進(jìn)行定位控制的理想選擇。Baldor 公司的電機(jī)產(chǎn)品經(jīng)理John Mazurkiewicz解釋說(shuō)，使用步進(jìn)電機(jī)的原因包括：操作簡(jiǎn)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?yàn)橐话悴恍枰答佈b置。 　　 然而，開環(huán)運(yùn)行會(huì)帶來(lái)失步的風(fēng)險(xiǎn)，從而引起定位不準(zhǔn)?！暗热藗儾煊X到該錯(cuò)誤的發(fā)生，生產(chǎn)線上往往已經(jīng)出了很多次品，”他說(shuō)?！傲硗?，當(dāng)移動(dòng)更重的負(fù)載而使步進(jìn)電機(jī)工作在最大力矩點(diǎn)附近的時(shí)候，以及為了提高生產(chǎn)率而提高加速度的時(shí)候，會(huì)有更高的失步堵轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)?！痹黾臃答伩杀荛_對(duì)傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的這些限制。 　　 閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)可以采用低成本編碼器，這是相對(duì)于那些在伺服系統(tǒng)中使用的編碼器而言的，這帶來(lái)了進(jìn)一步的好處：“通常情況下，步進(jìn)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(hào)?！盡azurkiewicz補(bǔ)充說(shuō)。 　　 根據(jù)Baldor的觀點(diǎn)，CLC步進(jìn)電機(jī)對(duì)輕載和非常短的移動(dòng)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(tái)和旋轉(zhuǎn)定位設(shè)備。 　　 Parker Hannifin/ Compumotor公司在對(duì)零速穩(wěn)定性有要求和位置校驗(yàn)有要求的場(chǎng)合下推薦使用閉環(huán)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)?！安竭M(jìn)電機(jī)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。”工程經(jīng)理John Walewander說(shuō)。 Parker公司已經(jīng)在無(wú)傳感器技術(shù)方面進(jìn)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(wú)需外部附加裝置便可完成閉環(huán)任務(wù)，從而取代了電機(jī)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(gè)可選編碼器， 使運(yùn)動(dòng)控制器和NEMA 14、17、23、和34步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器成為一體， 圖示為MDrive17。[/align] 這些技術(shù)——有源阻尼和無(wú)編碼器堵轉(zhuǎn)檢測(cè)——應(yīng)用于Parker公司的 Gemini微步進(jìn)（細(xì)分）驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品家族。Walewander希望對(duì)這些復(fù)雜的算法進(jìn)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(dòng)器也能共享這些技術(shù)?！敖?jīng)過(guò)持續(xù)的改進(jìn)和升級(jí)，相信堵轉(zhuǎn)檢測(cè)和抗諧振技術(shù)將與今天的微步技術(shù)一樣得到普及?！彼偨Y(jié)說(shuō)。 　　 Intelligent Motion Systems有限公司應(yīng)用工程經(jīng)理Bob Parente說(shuō)：“閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)可用于需要位置確認(rèn)的重要場(chǎng)合?！弊鳛槔铀昧藢?shí)驗(yàn)室用自動(dòng)化化學(xué)/血液分析儀，儀器中應(yīng)用了許多運(yùn)動(dòng)軸將測(cè)試樣本定位在適當(dāng)?shù)脑噭┡渌推飨?，同時(shí)另有一些步進(jìn)電機(jī)回退，加載準(zhǔn)確數(shù)量的化學(xué)試劑，然后向前移動(dòng)以正確的順序和數(shù)量分配試劑—一個(gè)類似于使用多個(gè)注射器的過(guò)程。“任何軸上的任何定位錯(cuò)誤都將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或不正確的結(jié)果?！?Parente說(shuō)。 　　 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(guò)程都帶來(lái)額外的成本。對(duì)閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)而言也是這樣，雖然獲得了很多好處，仍然帶來(lái)了一點(diǎn)額外的成本。 　　 “即使增加了一點(diǎn)反饋裝置的成本，與其他閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)相比步進(jìn)電機(jī)仍然是低成本的解決方案?！?Parente解釋說(shuō)，“為保證結(jié)果的精確性，付出這點(diǎn)額外的成本是值得的。在重要的應(yīng)用場(chǎng)合一個(gè)錯(cuò)誤所帶來(lái)的成本損失將遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiǎn)，使我們確信步進(jìn)電機(jī)正工作在正確位置。 　　 在Baldor公司看來(lái)，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(jī)器或運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際測(cè)量位置和理想位置的比較。“如果存在不一致，電機(jī)就會(huì)運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)償任何失步。”Mazurkiewicz說(shuō)。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?！耙冻龆嗌兕~外的成本取決于所要求的機(jī)器性能、生產(chǎn)效率、位置精度和所期望的零件質(zhì)量?！彼a(bǔ)充道。 　　 另外，被控過(guò)程中材料的價(jià)值也會(huì)影響成本方程式的平衡。“步進(jìn)電機(jī)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(shuō)?！盀榉乐故Оl(fā)生而增加反饋的額外成本是值得的?！?Parker 進(jìn)一步提到無(wú)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(diǎn)，并且以更低的成本提高步進(jìn)電機(jī)控制性能。Walewander補(bǔ)充說(shuō)：“隨著新一代數(shù)字式步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，將會(huì)越來(lái)越少地依賴于外部傳感器反饋并為機(jī)器制造商節(jié)約成本?！? 　　 市場(chǎng)觀點(diǎn) 據(jù)增量運(yùn)動(dòng)控制協(xié)會(huì)——運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的專業(yè)咨詢組織估計(jì)，有8％～10%的混合步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用采用了步校驗(yàn)控制。其主席 Dan Jones認(rèn)為目前使用其他閉環(huán)步進(jìn)控制法的比例更少：使用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的小于1%，使用全伺服控制也僅占市場(chǎng)的約1%。但是，據(jù)Jones預(yù)測(cè)，“全伺服”方式的增長(zhǎng)會(huì)比其他方法更快。 　　 Intelligent Motion Systems公司也有類似的觀點(diǎn)，其閉環(huán)步進(jìn)應(yīng)用的銷售量保持在10%左右。為了幫助用戶對(duì)是否需要閉環(huán)系統(tǒng)的疑問(wèn)做出決定，Parente希望用戶回答下面的問(wèn)題：“如果步進(jìn)電機(jī)處于錯(cuò)誤的位置對(duì)產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生什么影響？” “在問(wèn)題得到解決之前銷毀劣質(zhì)產(chǎn)品產(chǎn)生的代價(jià)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。?0%的步進(jìn)系統(tǒng)都是開環(huán)的”他補(bǔ)充說(shuō)。 [align=center] 圖2：Parker Hannifin/Com-pumotor公司應(yīng)用有源阻尼技術(shù)（一種無(wú)傳感器 閉環(huán)控制方式）使步進(jìn)電機(jī)發(fā)揮更多的力矩裕量， 而傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)不能安全運(yùn)行在保留力矩區(qū)。[/align] National Instruments 公司的Kulkarni認(rèn)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(jìn)電機(jī)應(yīng)用獲得了增長(zhǎng)，是因?yàn)樵跐崈羰噎h(huán)境中更加苛刻的運(yùn)動(dòng)控制要求。在那時(shí)選擇無(wú)刷伺服電機(jī)仍然太過(guò)昂貴?！耙虼斯こ處焸冝D(zhuǎn)向使用閉環(huán)步進(jìn)配置，他們希望在性能和成本兩方面都取得最佳?！彼f(shuō)。然而從那時(shí)起到現(xiàn)在無(wú)刷伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的成本已經(jīng)大幅下降了?！敖裉?，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用應(yīng)該處于平穩(wěn)或下降狀態(tài)?！盞ulkarni說(shuō)。 　　 對(duì)Baldor公司來(lái)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(jì)多達(dá)20%的符合NEMA標(biāo)準(zhǔn)尺寸17、23和34號(hào)的步進(jìn)電機(jī)上或許將使用編碼器。 　　 Parker Hannifin公司估計(jì)有10%～15%的“精確步進(jìn)應(yīng)用”使用編碼器。“如果將所有行業(yè)的步進(jìn)電機(jī)都包括在內(nèi)，這個(gè)百分比會(huì)更低?！?根據(jù)Walewander的說(shuō)法?！笆褂猛獠坑布?lái)做閉環(huán)控制的應(yīng)用在減少，而使用無(wú)傳感器技術(shù)的應(yīng)用在增加?！彼a(bǔ)充說(shuō)。 　　 Parker相信無(wú)傳感器技術(shù)擁有光明的前景。隨著這些技術(shù)的進(jìn)步，市場(chǎng)上將會(huì)有兩類電機(jī)，極數(shù)較多的（步進(jìn)）電機(jī)和極數(shù)較少的（伺服）電機(jī)，兩種都可以有反饋或者無(wú)反饋。Walewander總結(jié)說(shuō)：“采用無(wú)傳感器技術(shù)的電機(jī)將被用于許多目前需要伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，而有傳感器的電機(jī)將被用于定位應(yīng)用中。”