标签: 闭环步进

在一些 自动控制领域 中，步进电机的使用仍占着相当大的比例，步进电机与驱动电路组成的开环数控系统， 因其简单的结构、低廉的价格和可靠的性能，目前已在很多行业中（ 工业自动化、医疗自动化、纺织自动化 等）广泛应用。 步进电机经常被用于 精确定位的场合 ，因而保证电机不发生失步至关重要。 如果在调试过程中会发现 步进电机丢步、堵转和定位不准现象 ，遇到这种情况不要着急， 更不要因此直接否定所选用 步进电机 ，一定要冷静观察分析出现该现象的原因，由此找出解决之道！ 步进电机的丢步及定位不准，一般由以下几方面原因引起： 1、 改变方向时丢脉冲，表现为往任何一个方向都准，但一改变方向就累计偏差，并且次数越多偏得越多； 2、 启动速度太高，加速度太大，引起丢步； 3、 在用同步带的场合软件补偿太多或太少； 4、 步进电动机本身的工作转矩不足，没有足够的能力来驱动负载； 5、 控制器受干扰引起误动作； 6、 驱动器受干扰引起； 7、 软件缺陷； 针对以上问题分析如下： 1）一般的 步进驱动器 对方向和脉冲信号都有一定的要求，如：方向信号在第一个脉冲上升沿或下降沿（不同的驱动器要求不一样）到来前数微秒被确定， 否则会有一个脉冲所运转的角度与实际需要的转向相反，最后故障现象表现为越走越偏，细分越小越明显，解决办法主要用软件改变发脉冲的逻辑或加延时。 2）由于步进电机特点决定初速度不能太高，尤其带的负载惯量较大情况下,建议初速度在1r/s以下， 这样冲击较小，同样加速度太大对系统冲击也大，容易过冲，导致定位不准;电机正转和反转之间应有一定的暂停时间,若没有就会因反向加速度太大引起过冲。 3）根据实际情况调整被偿参数值，（因为同步带弹性形变较大，所以改变方向时需加一定的补偿）。 4）适当地增大马达电流，提高驱动器电压（注意选配驱动器、驱动芯片）选扭矩大一些的马达。 5）系统的干扰引起控制器或驱动器的误动作，我们只能想办法找出干扰源， 降低其干扰能力（如屏蔽，加大间隔距离等），切断传播途径，提高自身的抗干扰能力， 常见措施： ①用双纹屏蔽线代替普通导线，系统中信号线与大电流或大电压变化导线分开布线，降低电磁干扰能力。 ②用电源滤波器把来自电网的干扰波滤掉，在条件许可下各大用电设备的输入端加电源滤波器，降低系统内各设备之间的干扰。 ③设备之间最好用光电隔离器件进行信号传送，在条件许可下，脉冲和方向信号最好用差分方式加光电隔离进行信号传送。 在感性负载（如电磁继电器、电磁阀）两端加阻容吸收或快速泄放电路，感性负载在开头瞬间能产生10~100倍的尖峰电压，如果工作频率在20KHZ以上。 6）软件做一些容错处理，把干扰带来影响消除。 同时还可能是以下原因： 原因一： 转子的加速度慢子步进电机的旋转磁场 ，即低于换相速度时，步进电机会产生丢步。 这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起丢步。 解决方法： 　　①使步进电机本身产生的电磁转矩增大。因此可在额定电流范围内适当加大驱动电流;或者在高频范围转矩不足时，可适当提高驱动电路的驱动电压;也可以改用转矩大的步进电机等。 　　②使步进电机需要克服的转矩减小，因此可适当降低电动机运行频率，以便提高电机的输出转矩。 原因二： 步进电机及所带负载存在惯性 ，由于步进电机自身及所带负载存在惯性，使得电机在工作过程中不能立即起动和停止，而是在起动时出现丢步，在停止时发生越步。 解决方法： 　　通过一个加速和减速过程，即以较低的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减速直至停止。 原因三：步进电动机产生共振 共振 也是引起丢步的一个原因 。步进电机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电机的固有频率，将产生共振。 　　解决方法： 　　一、适当减小步进电机的驱动电流; 　　二、采用细分驱动方法; 　　三、采用阻尼方法，包括机械阻尼法。 　　以上方法都能有效消除电机振荡，避免丢步现象发生。 那有没有一款步进驱动芯片可以内部集成算法来优化电机性能，防止丢步呢？ 针对步进电机丢步的问题，Trinamic推出的 TMC5160电机驱动芯片的DcStep功能可以有效防止电机丢步 。 TMC5160的DcStep功能介绍： DcStep 能让电机在其负载极限和速度极限附近运行而不失步。如果电机上的机械负载增加到堵转负载点，电机会自动降低速度，这样它仍然可以驱动负载。 有了这个功能，电机将不会堵转。除了在较低速度下增加扭矩之外，动态惯性将允许电机通过减速克服机械过载。 DcStep 直接与斜坡发生器集成，因此即使电机速度因机械负载增加而需要降低，也能达到目标位置。 DcStep 可以在没有任何失步的情况下达到 10 倍或更大的动态范围。通过优化高负载情况下的运动速度，该功能进一步提高了整体系统效率。 DcStep 优势: 电机在过载情况下不会失步 应用程序可以更快的运行 自动实现最高的加速度 在速度极限下实现最高的能效 全步驱动达到最高电机扭矩 不仅如此，TMC5160还提供了一个 增量式编码器接口 。 TMC5160 为外部增量编码器提供编码器接口。编码器不仅用于失步的判断，还可实现运动控制器的归零功能(替代参考开关)。 可编程预分频器寄存器设置了编码器分辨率以适应电机分辨率。内部包含 32 位编码器计数器。 如果对位置要求非常高的应用，又怕步进电机丢步，那就建议上闭环步进了， 针对步进闭环应用，Trinamic推出了一款带S型加减速曲线的控制芯片--- TMC4361 ， 并支持 sixPoint 六点式斜坡，进行了高速优化，支持动态修改运动参数。 TMC4361A 包含 SPI 接口、Step/Dir 接口及闭环所需的编码器接口。 ​

步进电机的优点非常多，但最关键的一点就是——便宜，实在是太便宜了，42的步进电机全新的几十元，二手的十几元甚至是才几元钱。很多人都喜欢步进电机的另一个特点——开环驱动，能够用便宜的驱动器实现位置驱动，尤其是细分芯片和驱动器也很便宜，但是开环驱动也存在一切问题：精度低、转速慢、功耗大、易震动，所以把闭环伺服的技术引入到步进电机驱动领域，具有很高的实用价值。 闭环步进驱动的优点主要是：1、定位精度高（一两个编码器分辨率）；2、高速性能提高30%左右（直轴分量大幅度降低）；3、动态响应性能大幅度提高（变速也不会失步）；4、能量利用率很高尤其在低速低负载时（直轴分量大幅度降低）；5、低速振动大幅度降低；6、电机停止后几乎无振动（相比交流伺服有一定的自锁力矩）. 为了进一步提高闭环步进电机的性价比，以下几点很关键： 1、降低成本，一般说来需要增加一个光电编码盘作为步进电机的反馈元件，但紫星认为最好能够使用磁编码器来做反馈，精度高、体积小、成本低，绝对角度数据还可以省去每次开机的重定位操作，譬如TLE5012具有15bit的分辨率，非常适合与高精度的定位需求。但是要用于步进电机的闭环反馈需要解决数据非线性的定位补偿问题。 2、高性能的驱动和电流采集电路，驱动电路自不用说，目前有很多专用的双全桥驱动芯片，紫星用的是DRV8844感觉很不错，高精度的电流采集是实现FOC驱动的前提，紫星使用MAX9918高边双向电流放大器，直接采集每相线圈上的电流，虽然成本稍微高一点点，但是精度实在没得说，比低边采样好用很多。 3、FOC驱动和高性能反馈控制算法，两相步进电机的FOC运算比三相电机的简单，将绝对值磁编码器的数据变换为电气角度，再转换出Iq和Id；根据编码器数据与目标位置的误差在反馈控制算法的控制下获得Iq和Id的目标值，进行电流环运算后将控制量分配到双轴的占空比，实现编码器对目标值的严密跟踪。在实验中紫星发现常规的PID算法实在太难用了，增益小了跟踪太慢，大了容易过冲；积分小了误差大，大了容易震荡；微分小了响应太慢，大了容易抖动，最终换了一些新概念的控制算法后才得到比较满意的效果。  

◆      PANdrive 系列：控制器 + 驱动器 + 电机（步进，直流无刷） + 编码器   PANdrive 系列产品是一种智能产品集成了控制器，驱动器，电机，磁编码器与一体此外支持如 USB ， RS232 ， RS485 ， CAN 等多种通讯方式。外部只需要提供电源便可轻松自如对电机实现理想控制； 可以支持联机控制，也可以脱机控制带有 64KEEROM 用于程序存储。此外支持 LabView,VB,VC 语言 可通过 CAN 或 RS485 通讯组成多轴总线网络控制；适用 2 相 42mm ， 57mm ， 60mm ， 86mm 步进电机；   电气参数： ■平时的供电电压为 24-48V ，电流 5A ■低功耗设计，内部集成完整的保护功能 ■可以在运动过程中即时改变电机参数 ■最大细分为 1024 ， MixDecay 专利技术保证电机运行 平稳 ■集成磁编码器（ 4096 个脉冲 / 圈） ■除带有正负限位外，还具有 2 个输入，两个输出 ■多种通讯方式 USB ，RS232 ，RS485 和CAN   ■      PD-108-28-SE ： 控制 + 驱动 + 电机 + 反馈 体积最小，集成度最高的智能步进系统 PD-108-28-SE产品是一种智能产品集成了控制器，驱动器，电机，磁编码器与一体此外支持如 USB ， RS232 ， RS485 ， CAN 等多种通讯方式。尺寸只有 28*28 外部只需要提供电源便可轻松自如对电机实现理想控制； 可以支持联机控制，也可以脱机控制带有 64KEEROM 用于程序存储。此外支持 LabView,VB,VC 语言 可通过 CAN 或 RS485 通讯组成多轴总线网络控制；最低工作温度可以达到 -40 度                   ●尺寸： 28*28 ●带 12 位编码器 ●电压： 9-28V ●最大细分数 16 ● 2 个输入（数字 / 模拟）； 2 个数字输出口 ●力矩 0.06Nm-0.12Nm