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闭环步进成为运动控制的方案之一

闭环步进成为运动控制的方案之一 2011年12月03日 来源： 大家都很熟悉的传统的步进电机控制方式，如果采用了反馈装置或者无传感器控制方式，将可以为那些对安全性、可靠性和精度有较高要求的运动控制应用提供更经济的选择。大部分基于步进电机的运动系统运行在开环状态下，因此能够提供低成本的解决方案。实际上，步进系统是唯一的一个不需反馈就具备位置控制能力的运动技术。但是当步进电机以开环方式驱动负载时，在指令步和实际步之间存在失去同步的潜在可能性。闭环控制作为传统步进运动控制的补充，为有更高安全性、可靠性或产品质量要求的应用提供了高性价比的选择。反馈装置或某种间接参数检测方式在这类步进系统中“闭合了回路”，以校验/控制失步、检测电机堵转，并保证了更大的有效力矩输出。最近，步进闭环控制（CLC）在实现智能分布式运动体系结构方面也发挥了作用。可行的闭环控制方法及其优点有几种技术目前可实现对步进电机位置、速度和/或力矩的闭环控制。按照可控性的程度递增排列，这些技术包括：计步、反电动势（emf）检测和全伺服控制（详见“闭环控制方法”的补充说明）。National Instruments（NI）公司工业控制产品经理Rahul Kulkarni提到了几条采用闭环步进控制的理由与适用场合：●无需进行参数调整；系统很容易建立，一般可以做到免维护。●在连续移动中允许利用断点触发摄像机或数据采集设备。●控制位置过冲，在某些场合这种过冲是不允许的，例如纳米制造或半导体加工。●在运动结束时纠正位置偏差。最后一条，虽然需要根据系统负载和惯量要求选择合适大小的步进电机，但也许并不需要这么严格。“在实际工作中，如果你的应用没有对运动路径或轨迹的严格要求，你可以稍微降低电机规格等级以节省成本。这就是闭环步进控制能够发挥作用的地方。”Kulkarni说。NI公司所有的运动控制器——NI 733x（仅适用步进）与NI 734x和高性能模块 NI 735x（步进/伺服）——都能够配置为对步进进行闭环控制。根据他的解释，在CLC模式下，步进轴采用正交编码器或模拟输入来进行位置和速度反馈。Baldor Electric公司认为，步进电机的简单、廉价使它成为对负载进行定位控制的理想选择。Baldor 公司的电机产品经理John Mazurkiewicz解释说，使用步进电机的原因包括：操作简单（通常在开环状态下使用）；由于可接受数字脉冲输入而变得易于与其他设备接口；成本低廉，因为一般不需要反馈装置。然而，开环运行会带来失步的风险，从而引起定位不准。“等人们察觉到该错误的发生，生产线上往往已经出了很多次品，”他说。“另外，当移动更重的负载而使步进电机工作在最大力矩点附近的时候，以及为了提高生产率而提高加速度的时候，会有更高的失步堵转风险。”增加反馈可避开对传统步进电机的这些限制。闭环步进电机可以采用低成本编码器，这是相对于那些在伺服系统中使用的编码器而言的，这带来了进一步的好处：“通常情况下，步进应用可以使用单端编码器，而且不需要电子换相反馈信号。”Mazurkiewicz补充说。根据Baldor的观点，CLC步进电机对轻载和非常短的移动特别有效。典型的工业应用包括数控系统、流程控制与打印和包装系统中的X-Y工作台和旋转定位设备。Parker Hannifin/ Compumotor公司在对零速稳定性有要求和位置校验有要求的场合下推荐使用闭环步进运动。“步进电机能很好地满足这种需求，并且这种需求是当前的主流需求。”工程经理John Walewander说。 Parker公司已经在无传感器技术方面进行了大量的投资，并且已经开发出具有专利的数字技术，它无需外部附加装置便可完成闭环任务，从而取代了电机上的反馈装置。

图1：Intelligent Motion Systems公司在其MDrive 系列上安装一个可选编码器，使运动控制器和NEMA 14、17、23、和34步进电机的微步进驱动器成为一体，图示为MDrive17。

这些技术——有源阻尼和无编码器堵转检测——应用于Parker公司的 Gemini微步进（细分）驱动器产品家族。Walewander希望对这些复杂的算法进一步开发使它们效率更高，这样小型的和低成本的驱动器也能共享这些技术。“经过持续的改进和升级，相信堵转检测和抗谐振技术将与今天的微步技术一样得到普及。”他总结说。Intelligent Motion Systems有限公司应用工程经理Bob Parente说：“闭环步进电机可用于需要位置确认的重要场合。”作为例子他引用了实验室用自动化化学/血液分析仪，仪器中应用了许多运动轴将测试样本定位在适当的试剂配送器下，同时另有一些步进电机回退，加载准确数量的化学试剂，然后向前移动以正确的顺序和数量分配试剂—一个类似于使用多个注射器的过程。“任何轴上的任何定位错误都将导致数据丢失或不正确的结果。” Parente说。增加的成本是否物有所值任何系统增加额外的元件或开发过程都带来额外的成本。对闭环步进系统而言也是这样，虽然获得了很多好处，仍然带来了一点额外的成本。“即使增加了一点反馈装置的成本，与其他闭环运动控制技术相比步进电机仍然是低成本的解决方案。” Parente解释说，“为保证结果的精确性，付出这点额外的成本是值得的。在重要的应用场合一个错误所带来的成本损失将远远高于反馈元件的成本。”编码器或旋变的作用类似一种提前保险，使我们确信步进电机正工作在正确位置。在Baldor公司看来，零件精确度和质量的提高源于闭环控制，其方法是在机器或运动系统中进行实际测量位置和理想位置的比较。“如果存在不一致，电机就会运动以补偿任何失步。”Mazurkiewicz说。反馈装置和闭环方法的成本与收益是否合理将取决于具体应用。“要付出多少额外的成本取决于所要求的机器性能、生产效率、位置精度和所期望的零件质量。”他补充道。另外，被控过程中材料的价值也会影响成本方程式的平衡。“步进电机经常被用于处理非常昂贵的材料，从电子元件到DNA样本。” Parker Walewander说。“为防止失效发生而增加反馈的额外成本是值得的。” Parker 进一步提到无传感器技术一样能够得到很多基于传感器的反馈技术的优点，并且以更低的成本提高步进电机控制性能。Walewander补充说：“随着新一代数字式步进电机控制技术的进步，将会越来越少地依赖于外部传感器反馈并为机器制造商节约成本。”市场观点 据增量运动控制协会——运动控制领域的专业咨询组织估计，有8％～10%的混合步进电机应用采用了步校验控制。其主席 Dan Jones认为目前使用其他闭环步进控制法的比例更少：使用反电动势检测的小于1%，使用全伺服控制也仅占市场的约1%。但是，据Jones预测，“全伺服”方式的增长会比其他方法更快。Intelligent Motion Systems公司也有类似的观点，其闭环步进应用的销售量保持在10%左右。为了帮助用户对是否需要闭环系统的疑问做出决定，Parente希望用户回答下面的问题：“如果步进电机处于错误的位置对产品会产生什么影响？” “在问题得到解决之前销毁劣质产品产生的代价是什么？”如果那样的成本是可以忍受的，那么使用开环系统就行了。“记住，90%的步进系统都是开环的”他补充说。

图2：Parker Hannifin/Com-pumotor公司应用有源阻尼技术（一种无传感器闭环控制方式）使步进电机发挥更多的力矩裕量，而传统步进电机不能安全运行在保留力矩区。

National Instruments 公司的Kulkarni认为，20世纪90年代在半导体和生物医学领域之所以闭环控制步进电机应用获得了增长，是因为在洁净室环境中更加苛刻的运动控制要求。在那时选择无刷伺服电机仍然太过昂贵。“因此工程师们转向使用闭环步进配置，他们希望在性能和成本两方面都取得最佳。”他说。然而从那时起到现在无刷伺服驱动器和电机的成本已经大幅下降了。“今天，闭环步进电机的应用应该处于平稳或下降状态。”Kulkarni说。对Baldor公司来讲这仍然是新的应用领域。在今后的闭环应用中，Baldor公司预计多达20%的符合NEMA标准尺寸17、23和34号的步进电机上或许将使用编码器。Parker Hannifin公司估计有10%～15%的“精确步进应用”使用编码器。“如果将所有行业的步进电机都包括在内，这个百分比会更低。” 根据Walewander的说法。“使用外部硬件来做闭环控制的应用在减少，而使用无传感器技术的应用在增加。”他补充说。Parker相信无传感器技术拥有光明的前景。随着这些技术的进步，市场上将会有两类电机，极数较多的（步进）电机和极数较少的（伺服）电机，两种都可以有反馈或者无反馈。Walewander总结说：“采用无传感器技术的电机将被用于许多目前需要伺服系统的动态应用中，而有传感器的电机将被用于定位应用中。(end)

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