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上海運控步進電機驅動器
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閉環步進控制如何工作,為什么不僅僅使用伺服器?

時間:2019-12-19 14:42


  步進電機本質上是開環設備。它們不需要反饋,因為驅動器傳遞的每個電流脈沖等于電動機的一個步長(對于微步進,則等于一小部分步長)。加上較小的步長(或步距角),就可以非常精確地確定電動機的位置,而無需反饋裝置和復雜的控制方案。

  因此,如果可以在開環系統中確定步進電動機的位置,那么為什么還要增加步進電動機的閉環控制成本和復雜性呢?

  

  具有閉環控制的步進電機可以替代伺服電機。

  因為只有在電動機永不失步的情況下,才可以準確了解電動機的位置。在現實世界中,有多種情況可能會導致電動機失步或錯步–例如,機器卡紙阻止了電動機軸的旋轉。

  為了應對這些可能性,步進電機通常尺寸過大,以應對扭矩尖峰,堵轉或其他異常情況,否則可能會導致電機錯過步距。但是,如果丟失的步驟可能對應用程序或過程有害,則另一種解決方案是在具有位置反饋的閉環系統中操作步進電機,以檢測并糾正定位錯誤。

  步進電機通常有三種類型的閉環控制,每種類型提供不同級別的定位控制和復雜性。

  失步補償:移動結束時進行無功位置校正

  閉環步進系統的最常見類型是基于步進損耗補償,也稱為步進損耗控制或步進位置保持。在這種設置下,驅動器以微步進模式運行,編碼器跟蹤軸(或負載)的位置。如果檢測到失步,則根據命令位置(步數乘以步角)相對于編碼器讀取的實際位置,控制器將命令附加步,以使電動機(或負載)達到所需位置。

  失步補償是步進電機最簡單的閉環方案,如上所述,它是最廣泛采用的方法,但是它的主要缺點是,它僅補償運動結束時遺漏的步,而不是在整個運動過程中連續補償。移動個人資料。

  負載位置控制:連續,實時的位置校正,無需復雜的控制

  負載位置控制,也稱為閉環微步進,連續監視軸(或負載)位置并生成錯誤信號。在整個移動過程中,控制器使用此錯誤信號實時調整命令。

  通過負載位置控制,該系統仍可在微步進模式下作為步進系統運行,但可以更精確地遵循運動曲線,而不是在運動過程中允許電動機偏離方向,并在運動結束時發出單個位置補償命令。

  伺服控制:完全控制扭矩和位置

  最先進的閉環步進控制方法是將電動機作為兩相無刷(BLDC)電動機運行。(請注意,許多步進電機的兩相偏移90°,而無刷直流電機的三相相偏移120°。)此方法稱為伺服步進或閉環步進控制。

  使用步進電機的伺服控制,而不是驅動器向電機提供全電流以產生運動,編碼器的反饋會檢測到軸的位置,然后由控制環(通常為PID環)確定軸跟隨所需的確切扭矩移動配置文件。換句話說,電動機是通過轉矩指令而不是電流脈沖來驅動的。

  

  步進電機的閉環伺服控制示意圖。

  因為它僅提供實現運動曲線所需的電流,所以伺服控制方法比其他步進控制方法具有更高的效率。更高的效率意味著更少的熱量和更長的電機壽命。伺服控制還消除了困擾其他控制方法的共振問題,在低速時提供高轉矩,并允許電動機使用其全額定轉矩而不受拉出轉矩的限制。而且,盡管比開環系統復雜,但是與實施完整的伺服系統相比,對步進電機實施伺服控制的要求仍然較低。

  請注意,還有另一種閉環步進控制方法,通常稱為無傳感器控制。這種方法沒有反饋裝置。相反,控制器使用間接方式(例如測量反電動勢)來確定轉子位置。但是,無傳感器控制很難實施,并且無法提供有關電機估計位置的高度確定性。

  使用閉環控制的步進電機系統僅占步進電機應用的一小部分,但是如果位置丟失可能會對應用造成災難性的影響,則該系統需要低速時高扭矩,相對簡單的結構以及相對較低的成本(與真正的伺服電機系統),閉環步進器可能是最合適的解決方案。


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