步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)的基石。我們將研究開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)之間的差異，并了解步進(jìn)電機(jī)最新的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)比以往更快，更安靜，更節(jié)能。

從電壓驅(qū)動(dòng)和完全步進(jìn)的早期階段開始，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)走過了漫長的道路。首先是PWM驅(qū)動(dòng)和微步進(jìn)，然后是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和反共振算法。現(xiàn)在，新的閉環(huán)步進(jìn)技術(shù)確保步進(jìn)電機(jī)在未來幾年繼續(xù)成為運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)的基石。

這是AppliedMotionProducts的StepSERVO閉環(huán)集成步進(jìn)電機(jī)的剖視圖。

無論運(yùn)動(dòng)是線性運(yùn)動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，決定哪種電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最合適的兩個(gè)首要考慮因素是扭矩和效率。這適用于最終的應(yīng)用是：自動(dòng)裝配系統(tǒng)，材料處理機(jī)器，3D打印機(jī)，笛卡爾定位器，蠕動(dòng)泵，還是無數(shù)其他應(yīng)用，其中步進(jìn)電機(jī)是優(yōu)選技術(shù)方案。

步進(jìn)系統(tǒng)的最新發(fā)展是應(yīng)用低成本，高分辨率的反饋設(shè)備和先進(jìn)的DSP使步進(jìn)運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)閉環(huán)的環(huán)路。這種控制可以提高閉環(huán)步進(jìn)性能，使其優(yōu)于開環(huán)系統(tǒng)。正如我們所看到的，一個(gè)這樣的閉環(huán)系統(tǒng)在集成電機(jī)設(shè)計(jì)上得以實(shí)現(xiàn)，包括反饋設(shè)備，驅(qū)動(dòng)器和控制器板，電源，通信和I/O電子設(shè)備，以及電機(jī)側(cè)面和背面的系統(tǒng)連接器。

開環(huán)與閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)比較

首先讓我們探討高性能閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)在扭矩和效率方面與傳統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)的比較。

閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)于開環(huán)系統(tǒng)，如實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果所示，比較兩個(gè)系統(tǒng)的加速度（扭矩），效率（功耗），位置誤差（精度），發(fā)熱量和噪音水平。只考慮扭矩和加速度之間的關(guān)系。扭矩-速度曲線顯示閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)的峰值和連續(xù)扭矩范圍明顯優(yōu)于開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)的可用扭矩范圍。通常情況下，現(xiàn)實(shí)世界中的扭矩會(huì)轉(zhuǎn)化為加速度-因此具有更大扭矩的電機(jī)可以更快地加速給定負(fù)載。

為了在實(shí)驗(yàn)室中測試扭矩性能的這種差異，同樣大小的開環(huán)和閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)獲得相同的慣性負(fù)載。編程命令兩個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行相同的移動(dòng)配置文件，除了加速率和最高速度在每個(gè)系統(tǒng)中緩慢增加，直到它們產(chǎn)生定位錯(cuò)誤。

這里我們有一個(gè)開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)之間的移動(dòng)剖面比較。這是來自StepSERVO閉環(huán)系統(tǒng)和來自開環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)之間的比較。閉環(huán)系統(tǒng)（由于其更高的扭矩產(chǎn)生能力）獲得最大加速率2,000轉(zhuǎn)/秒2和最高速度20轉(zhuǎn)/秒（1,200轉(zhuǎn)/分鐘），如此處所示。

假設(shè)開環(huán)系統(tǒng)的最大加速度為1,000轉(zhuǎn)/秒2，最高速度為10轉(zhuǎn)/秒（600轉(zhuǎn)/分鐘）。該最高轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/秒與轉(zhuǎn)矩-速度曲線的平坦部分結(jié)束的位置相關(guān)。閉環(huán)系統(tǒng)（由于其更高的扭矩產(chǎn)生能力）獲得最大加速率2,000轉(zhuǎn)/秒2和最高速度20轉(zhuǎn)/秒（1,200轉(zhuǎn)/分鐘）。這是開環(huán)系統(tǒng)性能的兩倍，并將移動(dòng)時(shí)間減少了近一半-從110毫秒減少到60毫秒。

對(duì)于需要高響應(yīng)的應(yīng)用（例如索引，邊緣導(dǎo)向定位和拾取和放置系統(tǒng)），閉環(huán)系統(tǒng)提供了明顯的性能優(yōu)勢。

開環(huán)與閉環(huán)效率比較

為了測量開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的相對(duì)效率，假設(shè)我們使用相同尺寸的相同兩個(gè)電機(jī)重復(fù)相同的測試。這次我們將閉環(huán)和開環(huán)電機(jī)并排運(yùn)行，具有相同的慣性負(fù)載，但是運(yùn)行編程使得運(yùn)動(dòng)曲線保持恒定且相等，這樣兩個(gè)系統(tǒng)都能執(zhí)行相同的工作量。

這是StepSERVO閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的相對(duì)比較圖表。請(qǐng)注意閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)的卓越性能，如實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果所示，比較兩個(gè)系統(tǒng)的加速度（扭矩），效率（功耗），位置誤差（精度），發(fā)熱量和噪音水平。

當(dāng)兩個(gè)電機(jī)反復(fù)指向相同的移動(dòng)曲線時(shí)，測量來自供給兩個(gè)系統(tǒng)的直流電源的電流消耗并計(jì)算功耗。從價(jià)值圖中可以看出，開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)的平均功耗為43.8瓦，而閉環(huán)系統(tǒng)的平均功耗僅為三分之一-平均為14.2瓦。功耗的這種顯著差異清楚地表明閉環(huán)系統(tǒng)的更高效率操作。任何希望提高開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)系統(tǒng)效率的用戶現(xiàn)在都可以考慮簡單升級(jí)到閉環(huán)系統(tǒng)，并期望顯著降低功耗。

這種StepSERVO閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的功耗比較顯示了StepSERVO的更高效率。

如何解決電機(jī)發(fā)熱問題

功耗測試的自然延伸是對(duì)電機(jī)發(fā)熱的研究。開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)是簡單的野獸。只需設(shè)置電機(jī)額定電流的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將盡力為電機(jī)提供電流，無論是否需要產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。這通常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生熱量而不是能量產(chǎn)生應(yīng)用功能-這也是開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)通常比閉環(huán)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行更熱的原因。這也意味著機(jī)器設(shè)計(jì)人員必須采取額外措施來應(yīng)對(duì)這種熱量，通常包括在人工操作員附近運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)周圍的特殊防護(hù)，或者安裝額外的冷卻系統(tǒng)，如風(fēng)扇。

考慮在實(shí)驗(yàn)室中使用與上述相同的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱測試的結(jié)果。在該測試中，兩個(gè)系統(tǒng)再次產(chǎn)生相同的工作量來驅(qū)動(dòng)相同的慣性載荷，并且允許它們運(yùn)行直到它們達(dá)到熱平衡。開環(huán)系統(tǒng)的外殼溫度達(dá)到76.0°C，而閉環(huán)系統(tǒng)在溫度僅為36.9°C的情況下達(dá)到熱平衡-不到開環(huán)系統(tǒng)的一半。電機(jī)發(fā)熱顯著減少意味著機(jī)器制造商的組件成本降低，因?yàn)樗鼈兛梢允÷灶~外的防護(hù)和冷卻子系統(tǒng)。

這是StepSERVO閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測試溫度比較。它顯示了使用與本文詳述的其他測試相同的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行電機(jī)加熱測試的結(jié)果。

噪音測試比較

關(guān)于開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)的另一個(gè)常見抱怨是，它們會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的可聽噪聲。在某些環(huán)境中，例如實(shí)驗(yàn)室，醫(yī)院和辦公室，這種噪音可能給機(jī)器設(shè)計(jì)者帶來真正的問題。

步進(jìn)電機(jī)發(fā)出的噪聲源于高電頻率和定子齒中的快速磁通變化，并且因?yàn)闊o論負(fù)載如何，開環(huán)系統(tǒng)都在滿額定電流下運(yùn)行。另一方面，閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)為電動(dòng)機(jī)提供足夠的電流來控制負(fù)載，從而產(chǎn)生更少的可聽噪聲。

此處顯示的是可聽噪聲，與開環(huán)系統(tǒng)和StepSERVO閉環(huán)系統(tǒng)的速度相對(duì)應(yīng)。閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)為電機(jī)提供足夠的電流來控制負(fù)載，與開環(huán)設(shè)置相比，這導(dǎo)致可聽噪聲要小得多。

為了產(chǎn)生本文附帶的聲學(xué)噪聲圖中所示的測試結(jié)果，在隔音室中測量每個(gè)系統(tǒng)的聲學(xué)噪聲。閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)選項(xiàng)安靜得多，速度從0到20轉(zhuǎn)/秒。該速度范圍與最常使用步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用的實(shí)際速度范圍一致，這意味著如果切換到閉環(huán)系統(tǒng)，絕大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用可受益于降低的電機(jī)噪聲。

更好的精度可以消除位置誤差

開環(huán)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)因其在沒有反饋機(jī)構(gòu)或閉環(huán)控制系統(tǒng)的情況下精確定位負(fù)載的能力而受到重視，但前提是開環(huán)系統(tǒng)具有足夠的扭矩余量，使得在正常操作期間不會(huì)發(fā)生位置誤差。為了提高精度，并且為了更穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，關(guān)閉來自高分辨率編碼器的反饋的伺服位置環(huán)允許閉環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償扭矩需求的增加，否則會(huì)導(dǎo)致開環(huán)系統(tǒng)中的位置誤差。這極大地提高了整體系統(tǒng)精度，特別是對(duì)于高度動(dòng)態(tài)的應(yīng)用，例如拾取和放置系統(tǒng)以及需要短時(shí)間，快速移動(dòng)和頻繁改變方向的3D打印機(jī)。

StepSERVO閉環(huán)（峰值扭矩），StepSERVO閉環(huán)（連續(xù)扭矩）和開環(huán)（可用扭矩）之間的動(dòng)態(tài)扭矩比較。這些圖顯示了閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)的峰值和連續(xù)扭矩范圍以及開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)的可用扭矩范圍。開環(huán)系統(tǒng)輸出的最大加速度為1,000轉(zhuǎn)/秒2，最高速度為10轉(zhuǎn)/秒（600轉(zhuǎn)/分鐘）。該最高轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/秒與轉(zhuǎn)矩-速度曲線的平坦部分結(jié)束的位置相關(guān)。

升級(jí)現(xiàn)有的步進(jìn)系統(tǒng)

在集成步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中的組件中，當(dāng)從開環(huán)到閉環(huán)時(shí)，電動(dòng)機(jī)，功率放大器和通信成本通常不會(huì)增加?？刂齐娮釉O(shè)備可能需要更多的中央處理能力或存儲(chǔ)器來伺服控制電動(dòng)機(jī)，但這些通常不會(huì)對(duì)列表價(jià)格產(chǎn)生影響。開環(huán)和閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)之間的成本差異主要在于增加了高分辨率反饋設(shè)備，但制造方面的改進(jìn)使這些設(shè)備越來越便宜。所以現(xiàn)在，閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)保持了開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)相對(duì)于其他類型定位系統(tǒng)（例如傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)）的成本優(yōu)勢，但幾乎在所有方面都大大提高了性能。

除了最小的成本增加之外，通過NEMA框架尺寸產(chǎn)品簡化了從開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)到閉環(huán)系統(tǒng)的升級(jí)。閉環(huán)NEMA23步進(jìn)電機(jī)與開環(huán)NEMA23步進(jìn)電機(jī)具有相同的框架尺寸，導(dǎo)向直徑，螺栓孔圓和螺栓孔直徑，因此安裝支架保持不變。閉環(huán)系統(tǒng)可獲得的更大扭矩意味著閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的軸直徑可能更大，但通?？梢酝ㄟ^簡單地改變聯(lián)軸器來很容易地解決這個(gè)問題。