步進電機是許多運動控制應(yīng)用的首選。它們有多種尺寸和額定扭矩可供選擇，并且比高端伺服電機便宜得多。因此，讓我們談?wù)勍ㄟ^添加反饋設(shè)備將步進電機性能提高到伺服電機的方法。

帶有編碼器并像無刷伺服電機一樣進行控制的步進電機效率很高……而且比真正的bldc伺服電機便宜。

步進電機的優(yōu)缺點需要解決

步進電機是無刷直流電動機，它以離散的步長移動，而不是連續(xù)掃掠旋轉(zhuǎn)運動。這些步進運動由定子中的電磁線圈組的磁場偏移驅(qū)動。步進電機的運行依賴于控制器——一種以驅(qū)動步進運動的順序向電機定子線圈饋送電流的電子設(shè)備?？刂破鞯墓δ軐﹄姍C性能有重大影響。

有幾種類型的步進電機可供選擇，但最常見的品種提供良好的分辨率（每轉(zhuǎn)200步或更高）以及可觀的低速扭矩、堅固的結(jié)構(gòu)、較長的使用壽命和相對較低的成本。但是，它們確實有局限性。扭矩輸出在更高的轉(zhuǎn)速下下降，并且（使用簡單的控制器）步進電機可能會受到振鈴 - 高頻振動。最大的缺點是即使在定位應(yīng)用中，基本的步進電機系統(tǒng)也在開環(huán)控制下運行。

步進電機響應(yīng)來自控制器的指令以移動一定數(shù)量的步數(shù)，但不向控制器返回有關(guān)此運動是否已完成的反饋。因此，如果電機無法完成請求的步進運動，控制器假定的電機軸旋轉(zhuǎn)位置與真實位置之間可能會出現(xiàn)越來越大的差異。軸（以及任何附加負(fù)載或驅(qū)動機構(gòu)）的位置。當(dāng)電機的扭矩不足以克服機械阻力時，就會發(fā)生這種失配……事實上，這些失配在高轉(zhuǎn)速下會成為一個嚴(yán)重的問題，因為那時電機的扭矩輸出能力受到限制。這就是設(shè)計工程師經(jīng)常過度指定步進電機的原因——以避免遺漏步驟，即使它為除了最苛刻的運動曲線之外的所有步進電機選擇了過大和過重的步進電機。

另一個缺點是，當(dāng)傳統(tǒng)應(yīng)用的步進電機停止時，電流必須流過電機繞組以將步進電機軸保持在適當(dāng)位置。這會消耗電能并加熱電機繞組和周圍的子組件。

大口徑空心軸套件編碼器適用于空心軸步進電機

反饋步進電機系統(tǒng)以實現(xiàn)可靠定位

將編碼器添加到步進電機系統(tǒng)以獲取軸位置反饋實質(zhì)上關(guān)閉了控制回路。添加這些反饋設(shè)備會增加整體系統(tǒng)成本，但不會像切換到伺服電機那樣多。

添加編碼器反饋的一種方法是在移動和驗證模式下操作。在這種情況下，在步進電機的尾軸上增加了一個簡單的增量編碼器。然后，當(dāng)控制器向電機發(fā)出步進命令時，編碼器會不斷向控制器驗證命令運動是否已發(fā)生。如果電機未能完成請求的步數(shù)，控制器可以請求更多的步數(shù)，直到電機到達預(yù)期位置。更復(fù)雜的控制器還增加了進入電機的相電流，以此來增加扭矩以進行這些額外的步驟。

在這種移動和驗證設(shè)置中使用的編碼器通常具有每轉(zhuǎn)200個位置的大約倍數(shù)的分辨率。

請注意，采用移動和驗證模式的設(shè)置可能仍會受益于包含超大電機，但不會超大到簡單開環(huán)系統(tǒng)所需的程度。

另請注意，此模式可以幫助智能控制器微調(diào)進入電機的保持電流，以便在停止期間略微提高效率……盡管總體能耗仍然很高。

帶絕對值編碼器的閉環(huán)步進控制

關(guān)鍵位置控制應(yīng)用的另一個更復(fù)雜的選擇是采用多圈絕對值編碼器的全閉環(huán)控制。此處使用的編碼器連接到步進電機的尾軸以監(jiān)控：

? 步進電機的角位置以及
       ? 步進電機的整圈數(shù)。

在這種配置中，步進電機的控制類似于高極數(shù)無刷直流 (bldc) 電機……編碼器不斷向控制器提供位置反饋。然后，提供給電機的保持電流精確地調(diào)整為將位置保持在給定位置公差內(nèi)所需的量。像無刷伺服電機一樣控制的步進電機比真正的 bldc 伺服電機更節(jié)能且更便宜。那么，為什么不在所有 bldc 伺服應(yīng)用中使用低成本步進電機呢？

閉環(huán)伺服系統(tǒng)中使用的步進電機具有真正的 BLDC 伺服電機所沒有的物理限制。更具體地說，這樣操作的步進電機本質(zhì)上是作為 50 極無刷電機工作的，因此無法達到伺服電機可能達到的轉(zhuǎn)速。此外，步進電機轉(zhuǎn)子比等效功率的真正 bldc 伺服電機具有更高的慣性……因此無法提供相同的加速度。

當(dāng)步進電機在 bldc 模式下使用時，編碼器起著至關(guān)重要的換向作用——報告電機軸的準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)位置……這反過來又讓控制器根據(jù)需要為適當(dāng)?shù)亩ㄗ与姶盆F組通電以進行連續(xù)旋轉(zhuǎn)。此外，精密絕對編碼器還可以幫助先進的微步控制器微調(diào)相電流，以減少更基本的步進電機系統(tǒng)中出現(xiàn)的振鈴（振動）。

為基于步進的設(shè)計選擇正確的編碼器

如上所述，當(dāng)步進電機用于移動和驗證模式時，簡單的增量編碼器會很有效。增量編碼器還支持速度控制……盡管步進電機通常不是以穩(wěn)定速度連續(xù)運行的最佳選擇。

報告軸的旋轉(zhuǎn)位置的絕對編碼器在關(guān)鍵定位軸上表現(xiàn)出色。它們有獨立的版本（有自己的封閉外殼和軸）或套件形式。區(qū)別如下：

? 獨立編碼器需要某種形式的耦合器將它們連接到電機軸。

? 相比之下，機器制造商將套件或模塊化編碼器集成到電機或驅(qū)動機構(gòu)中，以直接從驅(qū)動軸測量旋轉(zhuǎn)運動。這些套件編碼器可能內(nèi)置在電機外殼中或連接到電機端罩的外部。

絕對磁性編碼器通過一組霍爾效應(yīng)傳感器測量旋轉(zhuǎn)，是步進電機反饋控制的首選。它們以獨立和套件形式提供，堅固耐用，對灰塵、濕氣和其他污染物相對不敏感……而且易于安裝。采用套件形式的磁性編碼器包括一個電子封裝（安裝在一個小型PCB上）以及一個連接到旋轉(zhuǎn)軸上的小型永磁陣列。這些獨立式編碼器的微型版本（外徑低至22mm）可用于特別小的電機。

22毫米磁性套件編碼器組件的分解圖，適用于特別小的步進電機應(yīng)用。

多圈磁編碼器可以跟蹤電機的完成轉(zhuǎn)數(shù)。這種編碼器可用于控制通過減速齒輪、蝸輪和電纜卷筒驅(qū)動負(fù)載的電機。這些設(shè)備的旋轉(zhuǎn)計數(shù)器圍繞韋根傳感器構(gòu)建，該傳感器檢測完整旋轉(zhuǎn)并為計數(shù)器電路供電。這可確保旋轉(zhuǎn)計數(shù)始終準(zhǔn)確，即使在系統(tǒng)電源不可用時發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

如果最好將旋轉(zhuǎn)測量裝置安裝在大型電機的驅(qū)動端，采用電容測量的空心軸套件編碼器可能是一個有用的選擇。它們具有多圈測量范圍和30和50毫米的中心開口。