步進(jìn)電機(jī)是許多運(yùn)動(dòng)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(jī)便宜得多。因此，讓我們談?wù)勍ㄟ^(guò)添加反饋設(shè)備將步進(jìn)電機(jī)性能提高到伺服電機(jī)的方法。

帶有編碼器并像無(wú)刷伺服電機(jī)一樣進(jìn)行控制的步進(jìn)電機(jī)效率很高……而且比真正的bldc伺服電機(jī)便宜。

步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)需要解決

步進(jìn)電機(jī)是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，它以離散的步長(zhǎng)移動(dòng)，而不是連續(xù)掃掠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些步進(jìn)運(yùn)動(dòng)由定子中的電磁線圈組的磁場(chǎng)偏移驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行依賴于控制器——一種以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的順序向電機(jī)定子線圈饋送電流的電子設(shè)備。控制器的功能對(duì)電機(jī)性能有重大影響。

有幾種類型的步進(jìn)電機(jī)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(jiān)固的結(jié)構(gòu)、較長(zhǎng)的使用壽命和相對(duì)較低的成本。但是，它們確實(shí)有局限性。扭矩輸出在更高的轉(zhuǎn)速下下降，并且（使用簡(jiǎn)單的控制器）步進(jìn)電機(jī)可能會(huì)受到振鈴 - 高頻振動(dòng)。最大的缺點(diǎn)是即使在定位應(yīng)用中，基本的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)也在開環(huán)控制下運(yùn)行。

步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)來(lái)自控制器的指令以移動(dòng)一定數(shù)量的步數(shù)，但不向控制器返回有關(guān)此運(yùn)動(dòng)是否已完成的反饋。因此，如果電機(jī)無(wú)法完成請(qǐng)求的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，控制器假定的電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)位置與真實(shí)位置之間可能會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越大的差異。軸（以及任何附加負(fù)載或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）的位置。當(dāng)電機(jī)的扭矩不足以克服機(jī)械阻力時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種失配……事實(shí)上，這些失配在高轉(zhuǎn)速下會(huì)成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)槟菚r(shí)電機(jī)的扭矩輸出能力受到限制。這就是設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常過(guò)度指定步進(jìn)電機(jī)的原因——以避免遺漏步驟，即使它為除了最苛刻的運(yùn)動(dòng)曲線之外的所有步進(jìn)電機(jī)選擇了過(guò)大和過(guò)重的步進(jìn)電機(jī)。

另一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)傳統(tǒng)應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)停止時(shí)，電流必須流過(guò)電機(jī)繞組以將步進(jìn)電機(jī)軸保持在適當(dāng)位置。這會(huì)消耗電能并加熱電機(jī)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(jìn)電機(jī)

反饋步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)可靠定位

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

添加編碼器反饋的一種方法是在移動(dòng)和驗(yàn)證模式下操作。在這種情況下，在步進(jìn)電機(jī)的尾軸上增加了一個(gè)簡(jiǎn)單的增量編碼器。然后，當(dāng)控制器向電機(jī)發(fā)出步進(jìn)命令時(shí)，編碼器會(huì)不斷向控制器驗(yàn)證命令運(yùn)動(dòng)是否已發(fā)生。如果電機(jī)未能完成請(qǐng)求的步數(shù)，控制器可以請(qǐng)求更多的步數(shù)，直到電機(jī)到達(dá)預(yù)期位置。更復(fù)雜的控制器還增加了進(jìn)入電機(jī)的相電流，以此來(lái)增加扭矩以進(jìn)行這些額外的步驟。

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

請(qǐng)注意，采用移動(dòng)和驗(yàn)證模式的設(shè)置可能仍會(huì)受益于包含超大電機(jī)，但不會(huì)超大到簡(jiǎn)單開環(huán)系統(tǒng)所需的程度。

另請(qǐng)注意，此模式可以幫助智能控制器微調(diào)進(jìn)入電機(jī)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(duì)值編碼器的閉環(huán)步進(jìn)控制

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

? 步進(jìn)電機(jī)的角位置以及
       ? 步進(jìn)電機(jī)的整圈數(shù)。

在這種配置中，步進(jìn)電機(jī)的控制類似于高極數(shù)無(wú)刷直流 (bldc) 電機(jī)……編碼器不斷向控制器提供位置反饋。然后，提供給電機(jī)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(wú)刷伺服電機(jī)一樣控制的步進(jìn)電機(jī)比真正的 bldc 伺服電機(jī)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(jìn)電機(jī)呢？

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

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在 bldc 模式下使用時(shí)，編碼器起著至關(guān)重要的換向作用——報(bào)告電機(jī)軸的準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)位置……這反過(guò)來(lái)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(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)。此外，精密絕對(duì)編碼器還可以幫助先進(jìn)的微步控制器微調(diào)相電流，以減少更基本的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中出現(xiàn)的振鈴（振動(dòng)）。

為基于步進(jìn)的設(shè)計(jì)選擇正確的編碼器

如上所述，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)用于移動(dòng)和驗(yàn)證模式時(shí)，簡(jiǎn)單的增量編碼器會(huì)很有效。增量編碼器還支持速度控制……盡管步進(jìn)電機(jī)通常不是以穩(wěn)定速度連續(xù)運(yùn)行的最佳選擇。

報(bào)告軸的旋轉(zhuǎn)位置的絕對(duì)編碼器在關(guān)鍵定位軸上表現(xiàn)出色。它們有獨(dú)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(dú)立編碼器需要某種形式的耦合器將它們連接到電機(jī)軸。

? 相比之下，機(jī)器制造商將套件或模塊化編碼器集成到電機(jī)或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，以直接從驅(qū)動(dòng)軸測(cè)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些套件編碼器可能內(nèi)置在電機(jī)外殼中或連接到電機(jī)端罩的外部。

絕對(duì)磁性編碼器通過(guò)一組霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)，是步進(jìn)電機(jī)反饋控制的首選。它們以獨(dú)立和套件形式提供，堅(jiān)固耐用，對(duì)灰塵、濕氣和其他污染物相對(duì)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(gè)電子封裝（安裝在一個(gè)小型PCB上）以及一個(gè)連接到旋轉(zhuǎn)軸上的小型永磁陣列。這些獨(dú)立式編碼器的微型版本（外徑低至22mm）可用于特別小的電機(jī)。

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(jìn)電機(jī)應(yīng)用。

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

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