閉環步進成為運動控制的方案之一

　　大家都很熟悉的傳統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用提供更經濟的選擇。
　　大部分基于步進電機的運動系統運行在開環狀態下，因此能夠提供低成本的解決方案。實際上，步進系統是唯一的一個不需反饋就具備位置控制能力的運動技術。但是當步進電機以開環方式驅動負載時，在指令步和實際步之間存在失去同步的潛在可能性。
　　閉環控制作為傳統步進運動控制的補充，為有更高安全性、可靠性或產品質量要求的應用提供了高性價比的選擇。反饋裝置或某種間接參數檢測方式在這類步進系統中“閉合了回路”，以校驗/控制失步、檢測電機堵轉，并保證了更大的有效力矩輸出。最近，步進閉環控制（CLC）在實現智能分布式運動體系結構方面也發揮了作用。
　　可行的閉環控制方法及其優點
　　有幾種技術目前可實現對步進電機位置、速度和/或力矩的閉環控制。按照可控性的程度遞增排列，這些技術包括：計步、反電動勢（emf）檢測和全伺服控制（詳見“閉環控制方法”的補充說明）。
　　NationalInstruments（NI）公司工業控制產品經理RahulKulkarni提到了幾條采用閉環步進控制的理由與適用場合：
　　●無需進行參數調整；系統很容易建立，一般可以做到免維護。
　　●在連續移動中允許利用斷點觸發攝像機或數據采集設備。
　　●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體加工。
　　●在運動結束時糾正位置偏差。
　　最后一條，雖然需要根據系統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格等級以節省成本。這就是閉環步進控制能夠發揮作用的地方。”Kulkarni說。
　　NI公司所有的運動控制器——NI733x（僅適用步進）與NI734x和高性能模塊NI735x（步進/伺服）——都能夠配置為對步進進行閉環控制。根據他的解釋，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。
　　BaldorElectric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公司的電機產品經理JohnMazurkiewicz解釋說，使用步進電機的原因包括：操作簡單（通常在開環狀態下使用）；由于可接受數字脈沖輸入而變得易于與其他設備接口；成本低廉，因為一般不需要反饋裝置。
　　然而，開環運行會帶來失步的風險，從而引起定位不準。“等人們察覺到該錯誤的發生，生產線上往往已經出了很多次品，”他說。“另外，當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，以及為了提高生產率而提高加速度的時候，會有更高的失步堵轉風險。”增加反饋可避開對傳統步進電機的這些限制。
　　閉環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，步進應用可以使用單端編碼器，而且不需要電子換相反饋信號。”Mazurkiewicz補充說。
　　根據Baldor的觀點，CLC步進電機對輕載和非常短的移動特別有效。典型的工業應用包括數控系統、流程控制與打印和包裝系統中的X-Y工作臺和旋轉定位設備。
　　ParkerHannifin/Compumotor公司在對零速穩定性有要求和位置校驗有要求的場合下推薦使用閉環步進運動。“步進電機能很好地滿足這種需求，并且這種需求是當前的主流需求。”工程經理JohnWalewander說。Parker公司已經在無傳感器技術方面進行了大量的投資，并且已經開發出具有專利的數字技術，它無需外部附加裝置便可完成閉環任務，從而取代了電機上的反饋裝置。

圖1：IntelligentMotionSystems公司在其MDrive系列上安裝一個可選編碼器，

　　使運動控制器和NEMA14、17、23、和34步進電機的微步進驅動器成為一體，
　　圖示為MDrive17。
　　這些技術——有源阻尼和無編碼器堵轉檢測——應用于Parker公司的Gemini微步進（細分）驅動器產品家族。Walewander希望對這些復雜的算法進一步開發使它們效率更高，這樣小型的和低成本的驅動器也能共享這些技術。“經過持續的改進和升級，相信堵轉檢測和抗諧振技術將與今天的微步技術一樣得到普及。”他總結說。
　　IntelligentMotionSystems有限公司應用工程經理BobParente說：“閉環步進電機可用于需要位置確認的重要場合。”作為例子他引用了實驗室用自動化化學/血液分析儀，儀器中應用了許多運動軸將測試樣本定位在適當的試劑配送器下，同時另有一些步進電機回退，加載準確數量的化學試劑，然后向前移動以正確的順序和數量分配試劑—一個類似于使用多個注射器的過程。“任何軸上的任何定位錯誤都將導致數據丟失或不正確的結果。”Parente說。
　　增加的成本是否物有所值
　　任何系統增加額外的元件或開發過程都帶來額外的成本。對閉環步進系統而言也是這樣，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，與其他閉環運動控制技術相比步進電機仍然是低成本的解決方案。”Parente解釋說，“為保證結果的精確性，付出這點額外的成本是值得的。在重要的應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。”編碼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，零件精確度和質量的提高源于閉環控制，其方法是在機器或運動系統中進行實際測量位置和理想位置的比較。“如果存在不一致，電機就會運動以補償任何失步。”Mazurkiewicz說。反饋裝置和閉環方法的成本與收益是否合理將取決于具體應用。“要付出多少額外的成本取決于所要求的機器性能、生產效率、位置精度和所期望的零件質量。”他補充道。
　　另外，被控過程中材料的價值也會影響成本方程式的平衡。“步進電機經常被用于處理非常昂貴的材料，從電子元件到DNA樣本。”ParkerWalewander說。“為防止失效發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一樣能夠得到很多基于傳感器的反饋技術的優點，并且以更低的成本提高步進電機控制性能。Walewander補充說：“隨著新一代數字式步進電機控制技術的進步，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約成本。”
　　市場觀點
　　據增量運動控制協會——運動控制領域的專業咨詢組織估計，有8％～10%的混合步進電機應用采用了步校驗控制。其主席DanJones認為目前使用其他閉環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Jones預測，“全伺服”方式的增長會比其他方法更快。
　　IntelligentMotionSystems公司也有類似的觀點，其閉環步進應用的銷售量保持在10%左右。為了幫助用戶對是否需要閉環系統的疑問做出決定，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品會產生什么影響？”“在問題得到解決之前銷毀劣質產品產生的代價是什么？”如果那樣的成本是可以忍受的，那么使用開環系統就行了。“記住，90%的步進系統都是開環的”他補充說。

圖2：ParkerHannifin/Com-pumotor公司應用有源阻尼技術（一種無傳感器閉環控制方式）使步進電機發揮更多的力矩裕量，而傳統步進電機不能安全運行在保留力矩區。
　　NationalInstruments公司的Kulkarni認為，20世紀90年代在半導體和生物醫學領域之所以閉環控制步進電機應用獲得了增長，是因為在潔凈室環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。“因此工程師們轉向使用閉環步進配置，他們希望在性能和成本兩方面都取得最佳。”他說。然而從那時起到現在無刷伺服驅動器和電機的成本已經大幅下降了。“今天，閉環步進電機的應用應該處于平穩或下降狀態。”Kulkarni說。
　　對Baldor公司來講這仍然是新的應用領域。在今后的閉環應用中，Baldor公司預計多達20%的符合NEMA標準尺寸17、23和34號的步進電機上或許將使用編碼器。
　　ParkerHannifin公司估計有10%～15%的“精確步進應用”使用編碼器。“如果將所有行業的步進電機都包括在內，這個百分比會更低。”根據Walewander的說法。“使用外部硬件來做閉環控制的應用在減少，而使用無傳感器技術的應用在增加。”他補充說。
　　Parker相信無傳感器技術擁有光明的前景。隨著這些技術的進步，市場上將會有兩類電機，極數較多的（步進）電機和極數較少的（伺服）電機，兩種都可以有反饋或者無反饋。Walewander總結說：“采用無傳感器技術的電機將被用于許多目前需要伺服系統的動態應用中，而有傳感器的電機將被用于定位應用中。”