霍爾元件在步進(jìn)電機(jī)中的應(yīng)用
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在工業(yè)自動化中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用非常的廣泛，霍爾元件在電機(jī)中的應(yīng)用也很廣泛。例如工業(yè)機(jī)器人、3D打印機(jī)、計算機(jī)硬盤等都有步進(jìn)電機(jī)的身影。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)可以控制轉(zhuǎn)子的角度位置，而不需要傳感器來控制位置，是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。
但隨著伺服閉環(huán)控制在高速度，高響應(yīng)，高精度這“三高”上表現(xiàn)越來越出色，步進(jìn)電機(jī)也開始往閉環(huán)控制上發(fā)展。越來越多廠商推出一體化閉環(huán)電機(jī)，填補(bǔ)開環(huán)的步進(jìn)電機(jī)和高性能伺服電機(jī)中間階段的空白。當(dāng)然有人說步進(jìn)電機(jī)沒有必要閉環(huán)控制,使用時不超過它的允許范圍內(nèi)使用就可以。閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)肯定有其價值, 它針對那些有高要求但又不至于使用伺服電機(jī)的場景, 給市場更多的選擇。
閉環(huán)控制下步進(jìn)系統(tǒng)精度提升
首先，大家都知道，步進(jìn)系統(tǒng)便宜過伺服系統(tǒng)很多。因為其成本低, 在自動控制領(lǐng)域步進(jìn)系統(tǒng)占有率還是很高的, 但步進(jìn)系統(tǒng)存在丟步的可能性。雖然有微步驅(qū)動可以提高步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確性, 但微步并不是完全可靠。有了閉環(huán)控制器, 步進(jìn)系統(tǒng)精度一點不比伺服差了, 只是速度肯定還是沒法和伺服比。步進(jìn)電機(jī)配合閉環(huán)控制以及光柵尺基本可以實現(xiàn)全閉環(huán)控制，免除機(jī)械誤差。在成本遠(yuǎn)小于伺服系統(tǒng)的情況下定位精度能達(dá)到傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)無法達(dá)到的層次。
閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)不是單純給步進(jìn)電機(jī)配一個編碼器，而是按照伺服電機(jī)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。目前最廣泛應(yīng)用的是電機(jī)專用DSP芯片，采用32位的DSP做為主處理器，以保證整個系統(tǒng)的高響應(yīng)和高速，可以做到每隔25微秒就可以調(diào)整一次電機(jī)的電流，同時也會配置編碼器。
Leadshine 42CME系列就是應(yīng)用最新的電機(jī)專用DSP芯片和閉環(huán)控制技術(shù)。42CME是采用了1000線的增量光電編碼器，轉(zhuǎn)矩可以保持在0.2~0.8 N?m。在精度上較普通電機(jī)有很明顯的提升，步距角可以控制在±0.09°。精度的提高意味著步進(jìn)電機(jī)不再為個別阻力點的安全而降低速度和效率。在阻力點丟失的脈沖，控制器會在阻力點過后自動恢復(fù)速度, 并加速補(bǔ)償回丟失的脈沖。
對于伺服電機(jī)來說，在由高速轉(zhuǎn)為低速時，不可避免地要過沖一段距離，然后再糾正。簡單點說控制器發(fā)一個脈沖給伺服電機(jī)時，伺服電機(jī)往往不是走一個脈沖，而是走3個脈沖，然后回退2個脈沖。在某些特定運動場合，這種過沖是不允許存在的。恰好的是，步進(jìn)電機(jī)的特點就是不會過沖，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)自身的特點和伺服閉環(huán)的控制方式，在此類運動場合中有很大的應(yīng)用空間。
這里可以看一下是全球有名的步進(jìn)系統(tǒng)制造商日本東方電機(jī)。他們著重推的也是集開閉環(huán)控制一體的αSTEP步進(jìn)電機(jī)。在位置偏差不到±1.8°工況下，還是采用開環(huán)模式，電機(jī)運行波形與脈沖指令基本吻合無延遲。在過載位置偏差達(dá)±1.8°后，切換至閉環(huán)控制對外力影響進(jìn)行修正。
在標(biāo)準(zhǔn)的42系列里，轉(zhuǎn)矩覆蓋0.3 ～0.77N?m。編碼器選擇的是自家研發(fā)的ABZO機(jī)械絕對編碼器，可以利用電動機(jī)軸檢測±900 轉(zhuǎn)（1800次旋轉(zhuǎn)）的絕對位置。東方電機(jī)推出的號稱永不丟步的步進(jìn)電機(jī)在降速曲線不夠的情況下, 出現(xiàn)過沖或丟步，電機(jī)會自動回位糾正。整過過程中加減速都經(jīng)過幾百級的速度平滑過渡, 不會有任何突然的振動或變化。
市面上其實有很多電機(jī)廠商也推出不少結(jié)合閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)，這里不一一列舉，總的趨勢來看步進(jìn)電機(jī)是朝著閉環(huán)或者說混合的方向在發(fā)展。這種趨勢會使步進(jìn)系統(tǒng)逐漸進(jìn)入高精度要求的機(jī)器，填補(bǔ)開環(huán)步進(jìn)和高性能伺服中間斷檔的空缺。
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