闭环技术|Nanotec电机控制技术

具有闭环功能的步进电机融合了步进电机和伺服电机技术的优点。它们比标准步进电机运行更平稳、共振更少，同时又能够实现位置反馈和控制，稳定时间短，并且不再失步。在需要满足节能、运行平稳及高负载承受性的要求时，它们能够取代步进电机。 与伺服电机相比，闭环步进电机的优势在于：可在低转速条件下实现高转矩、稳定时间短、定位准确且无后部摆动、通常在相同尺寸下的价格更低廉。

闭环方法也被称为通过编码器产生受到磁场定向控制的正弦变换。闭环技术的核心是经过性能调整的电流控制，以及控制信号的反馈。使用编码器信号，将对转子方向进行记录，并在电机绕组中产生正弦形状的相电流。 磁场的矢量控制确保定子的磁场总是垂直于转子磁场，而电场强度则精确地对应于所需转矩。绕组中的电流受到控制，保证电机作用力均匀一致，使电机运行尤为平稳，从而实现精确的控制。

真/假闭环

某些步进电机虽然声称具有闭环功能并可配合编码器使用，但却不能通过正弦变换电流控制来进行磁场定向控制。这种步进电机只检查步进位置，却不能纠正运行中的步进角度误差。具有磁场定向控制功能的真正闭环步进电机能够补偿运行过程中的步进角度误差，还能在整步内对负载角误差进行纠正。

经典步进电机是可靠经济的驱动器，可用于行进至固定位置。它们在脉冲方向模式中运行（也成为开环模式），包含一个开放的控制回路，其中的控制信号不会被反馈。其局限性是缺少位置反馈，原因是无法检测到过载等因素所造成的步距错位或失步。  此外，当频率较低时共振行为还会加剧，而负载小幅增加或转矩峰值都会造成电机失步、同步失败、甚至完全停转。

闭环步进电机是经典步进电机技术的进一步发展。它们消除了经典步进电机的局限性和缺点：

• 不需要计算或购买安全储备（通常高达 50%）
• 在负载浮动时具有更高效率，过载时不会停机
• 由于智能电流控制而实现节能运行
• 几乎无共振
• 由于发热和振动更少，轴承的使用寿命更长
• 即便在高转速时也能达到高转矩，因此加速时间更短
• 凭借监测和纠正实现精确定位

与伺服电机相比的优势

Nanotec 的闭环步进电机可在众多应用（例如卷绕应用或传输带驱动）中取代伺服驱动器。不仅旋转速度和位置能够得到更精准的控制，还能控制转矩（在转矩模式下，通常像卷绕应用一样需要这种控制）。闭环步进电机将二者的优点集于一身。由此，您不仅能够获得最大转矩、最高效率和最佳动力，还能将转矩波动降至最低，使电机的运行平稳性极高。

在转矩模式下，闭环步进电机的作用类似于一个弹簧 – 弹力特性曲线可通过电位表进行设置。因此，电机会提供稳定的作用力，即便是在电机停顿需要抵抗某个作用力时也是如此。当作用力减小时，电机开始转动，转动与减小的作用力成正比，直至达到设置的电流和转矩值。所以，闭环步进电机可完美适用于各种卷绕、张紧和挤压任务。

在具有下述要求的应用场合，具有闭环功能的步进电机可充当替代方案：

• 需要在转速低于 1000 rpm 的无变速箱紧凑型低成本解决方案中实现高转矩，
• 需要快速调试而无需昂贵的优化，
• 需要在停顿时保持负载位置不变，
• 需要避免暂时和自由振荡行为（在伺服电机中非常典型，尤其会在具有可变负载和震动时出现，可造成不容许的跟随误差）。在突发负载变化时，伺服电机会错失定位，必须进行修正。
• 短距离，急停急起

闭环步进电机的理想应用领域：

多轴应用（串行、Ethernet、EtherCAT、CANopen）
具有负载变化的定位任务
卷绕应用
皮带驱动（启动/停止、定位）
计量泵、填充设备
半导体安装
晶圆生产
纺织机械/工业缝纫机
机器人
测试和检查系统
要求平稳运行、稳定时间短、定位精准的应用