闭环控制vs传统开环,步进电机驱动的新选择

在工业自动化中，步进电机的应用非常的广泛，例如工业机器人、3D打印机、计算机硬盘等都有步进电机的身影。传统的步进电机可以控制转子的角度位置，而不需要传感器来控制位置，是一种开环控制系统，在这样的控制方式下，步进电机控制脉冲的输入并不依赖于转子的位置，反而是按一固定的规律发出其控制脉冲，步进电机仅依靠这一系列既定的脉冲而工作。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。



闭环控制指被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。步进电动机的闭环控制则是采用位置反馈或速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，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，为用户提供出色的精度和效率，既能达到伺服电机的性能，又具有步进电机的低价优势，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。


video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_2629493938260803585闭环步进电机驱动的9大优势
众所周知伺服电机是带编码器并依靠编码器工作，而带编码器的闭环控制步进电机（步进伺服电机）兼有步进电机和伺服电机两者优点。01可频繁的起动/停止

闭环步进电机驱动适用于需要频繁起动/停止的用途。02免增益调整


即使是在皮带机构、凸轮、链条驱动等负载发生变动的情况下，也可不用通过增益调节，便实现定位。而伺服电机中伺服系统的增益对电机性能有很大影响，而且调节伺服增益是很费时又费力的事情。
03稳态静止，无抖动


伺服电机在停止时候由于依靠编码器定位需要增益调节因此无法做到绝对静止，而步进伺服电机定位时无微小振动，通过电机自身保持力停止，因此最适合用于需无振动停止的低刚性机构用途，典型应用如光学领域等。
04可实现大惯性负载的驱动
比起同等安装尺寸的伺服电机，步进伺服可驱动更大惯性的负载。
05高速
得益于连续稳定可靠的电流控制技术，闭环步进电机可运行到3000-4000RPM不丢步。
06高响应


与开环步进电机一样，闭环步进电机与控制指令同步运行，因此能够在短行程、短时间完成精确定位。而通常伺服电机由于在停止时有位置整定时间不适应短行程定位场合。
07大力矩
与传统的步进电机相比，闭环步进电机可以在非常宽的速度范围内输出很大的力矩，驱动可以做到100%的负载连续运行。无需担心电机驱动负载的能力，这与传统的微步（细分）驱动完全不同。步进伺服可以根据电机的转速采用独特电流控制技术做到高速范围内依旧可以输出大力矩。配合ADI Trinamic的CoolStep和Dcstep驱动器的输出电流会随着外部负载闭环动态增加或减少。
08低速无振动，静音
由于驱动器采用了矢量控制技术，加之ADI Trinamic特有的StealthChop和SpreadCycle专利技术可以保证电机低速时候无振动，静音效果。
09闭环电机发热，实现高效率
闭环步进与ADI Trinamic特有的Coolstep技术（电流随负载动态调节）结合，能减少电机发热，降低电机运行温度，提高效率的同时进一步节能。
步进电机闭环驱动解决方案推荐
传统的闭环方式是控制器、驱动器、电机分体式，控制器发出脉冲/方向控制驱动器，步进电机将编码器信号反馈到驱动器，有接线繁琐、售后服务不便、脉冲/方向控制信号容易受到强磁场干扰导致定位不准等诸多缺点，同时由于编码器信号只反馈到驱动器属于半闭环，无法检测控制部分的脉冲丢失。


传统半闭环步进方案

ADI Trinamic采用的位置全闭环控制模式，模块集成了总线接口、运动控制功能、输入输出、电机驱动和程序存储，编码器的信号反馈到模块内部完成闭环控制，具有布线简单、控制精确、售后维护方便等诸多优势。





ADI Trinamic全位置闭环步进方案


闭环驱动高性价比方案选择

TMC4361+TMC2130/TMC5130（小功率）TMC4361+TMC2160/TMC5160（大功率）

TMC4361是一款步进电机全闭环伺服控制器，实现电流环、速度环、位置环的全闭环工作，带有S形斜坡发生器，可以任意一点加减速，防止电机启停时发生过冲现象。此外，TMC4361采用ADI Trinamic DcStep、闭环控制和ChopSync技术，尽可能快地驱动高负载而不会出现步进损耗。



例如在闭环控制的整个运动过程中，如果发现发了1000个脉冲电机只走了998步，将会发送指令反馈给MCU，MCU再补回两个脉冲，让电机再走两步，完成电机所要实现1000步的指令。步进电机的闭环控制，有着校验步数、防止丢步、堵转检测、力矩控制等关键技术，其稳定性更好、精度更高，同时具备高响应、高速性。
TMC4361步进电机闭环驱动方案的优势：

支持绝对值编码器，可选增量编码器或者绝对值编码器，让工程师们设计时更方便。

S形斜坡

可急停、急停防过冲、频繁启动或停止

任意点加减速控制

免增益，静止无抖动

静音、低速无抖动
高速，高效率，高响应

闭环驱动控制模块化解决方案
TMCM-1310是全封闭单轴步进控制单元，适用于需要高可靠性和动态特性的所有应用。该设备由ADI Trinamic StallGuard2，CoolStep和SpreadCycle斩波器技术驱动。TMCM-1310能够从每个输出驱动高达4.3A的电流（带有适当的散热片）。设计用于9-51V的工作电压。该设备提供USB，EtherCAT和编码器接口。



TMCM-3312是高度集成的控制器/驱动器模块，用于3个步进电机轴，带可选闭环操作，用于无传感器负载相关电流控制的三轴步进电机控制器/驱动器模块。该设备由ADI Trinamic StallGuard2™、CoolStep、SpreadCycle™、StealthChop™ 技术提供动力，并具有 SixPoint™和S形斜坡发生器。