闭环步进电机控制

大家都很熟悉的传统的步进电机控制方式，如果采用了反馈装置或者无传感器控制方式，将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。

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。

闭环控制作为传统步进运动控制的补充，为需要更高安全性、可靠性或产品质量要求的应用提供了高性价比的选择。反馈装置或某种间接参数检测方式在这类步进系统中“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。最近，步进闭环控制（CLC）在实现智能分布式运动体系结构方面也发挥了作用。

可行的闭环控制方法及其优点

有几种技术目前可实现对步进电机位置、速度和/或力矩的闭环控制。按照可控性的程度递增排列，这些技术包括：计步、反电动势（emf）检测和全伺服控制。以下几条是罗列采用闭环步进控制的理由与适用场合：

●无需进行参数调整；系统很容易建立，一般可以做到免维护。 ●在连续移动中允许利用断点触发摄像机或数据采集设备。

●控制位置过冲，在某些场合这种过冲是不允许的，例如纳米制造或半导体加工 ●在运动结束时纠正位置偏差

TRINAMIC和IMS公司在闭环步进控制中都有自己独特的技术，特别是TRINAMIC公司在开发的驱动芯片TMC246，TMC249和TMC223 中中植入了TRINAMIC的专利技术 StallGuard该功能就是利用反电动势（EMF）来实现力矩控制，检测电机负载，预防丢步 个人认为步进电机的简单、廉价使它成为对负载进行定位控制的理想选择，使用步进电机的原因包括：操作简单（通常在开环状态下使用）；由于可接受数字脉冲输入而变得易于与其他设备接口；成本低廉，因为一般不需要反馈装置。

然而，开环运行会带来失步的风险，从而引起定位不准，当移动更重的负载而使步进电机工作在最大力矩点附近的时候，以及为了提高生产率而提高加速度的时候，会有更高的失步堵转风险，增加反馈可避开对传统步进电机的这些限制。

闭环步进电机可以采用低成本编码器，这是相对于那些在伺服系统中使用的编码器而言的，这带来了进一步的好处：通常情况下，步进应用可以使用单端编码器，而且不需要电子换相反馈信号。

步进闭环控制对轻载和非常短的移动特别有效。典型的工业应用包括数控系统、流程控制与打印和包装系统中的X-Y工作台和旋转定位设备，对零速稳定性有要求和位置校验有要求的场合下推荐使用闭环步进运动，步进电机能很好地满足这种需求，并且这种需求是当前的主流需求。例如实验室用自动化化学/血液分析仪，仪器中应用了许多运动轴将测试样本定位在适当的试剂配送器下，同时另有一些步进电机回退，加载准确数量的化学试剂，然后向前移动以正确的顺序和数量分配试剂—一个类似于使用多个注射器的过程。“任何轴上的任何定位错误都将导致数据丢失或不正确的结果

----TRINAMIC和IMS在闭环步进控制中的不同方案

TRINAMIC公司的闭环步进控制方案：

TRINAMIC在闭环控制方面采用了3种不同方案，几乎囊括了记数、反电动势（EMF）、无传感器反馈和全伺服控制，下面按照成本从低到高介绍这些方案。

TRINAMIC公司具有自主研发芯片的能力，因此在步进闭环控制上TRINAMIC从芯片产品开始

方案一：芯片产品+系统设计思路

在驱动芯片TMC246和TMC249以及控制+驱动芯片TMC223中集成了TRINAMIC的专利技术StallGuard(失速检测功能)该技术也是TRINAMIC的专利技术之一，该功能嵌入在芯片中，可以检测步进电机的负载实现力矩控制，可以对外部微弱的负载变化进行控制，可以用在无需限位的场合，增加系统的安全性能，由于可直接对电机的力矩进行控制所以如果传感器功能失效可以保证系统不会发生“飞车”现象。另外该功能也能降低系统的噪声，可以用在医疗和实验室设备中，而StallGuard功能正是利用了对电机的反电动势（EMF）进行分析。

另外在TRINAMIC的控制芯片系列中TMC454和TMC457这两款芯片除了具备控制功能之外还提供接受A，B，Z三路编码器功能以及芯片自带的easyPID功能很容易实现位置闭环控制，这两款芯片也可以用来开发伺服系统。

在系统的设计理念上TRINAMIC屏弃以前控制-驱动的单向通讯转而使用总线将控制与驱动设计成具有信息时时交换的虚拟闭环方式，如下图所示

上图为普通步进的设计方式控制与驱动之间只有step/dir控制信号，控制器发出了脉冲之后至于驱动有没有响应，响应了多少控制器是无从知晓的，所以这种方式步进丢步的几率会非常大。

上图是TRINAMIC所采取的方式可以看出从控制到驱动整个环节是有一个信息环在里面，所以控制器发出指令给驱动之后控制器还可以时刻得知电机目前的状态，如当前位置，速度，电流等，最大的优点就是还可以在电机运动过程中时刻更改目标位置。

方案二：无传感器闭环控制（SensOstepTM技术）

其实该功能并非真正的无传感器，而是采用价格更加低廉的霍尔元件用作位置反馈之用。

TRINAMIC公司的SensOstepTM技术是基于磁性角度位置编码器系统，用在PANdriveTM（步进电机+控制+驱动）方案中，它由安装在步进电机轴后端的很小的磁性位置传感器和一个Hall传感器芯片，该芯片具有数字信号处理功能（如自动读取控制、温度补偿等）芯片安装在磁性物质的正上方的电路板上。电机每旋转一圈具有8bit（256步）的分辨率，完全满足1.8°步进电机的失步检测，目前的分辨率可以达到12bit（4096步）。这是一种类似增量型编码器的功能，它可以保证在许多应用中不需要额外参考信号中，在步进电机丢步时使其重新恢复到正确的位置点。

可以这样理解：SensOstepTM技术是一种不需要常规编码器的反馈系统，它由装在电机轴后端的磁性角度磁块和正上方PCB板的Hall传感器处理芯片组成，

SensOstepTM技术可以满足客户投入很小的成本实现步进闭环控制。 方案三：全伺服控制

为了更高地提高精度最理想的方式就是采用全伺服控制方式，这种情况下闭环步进电机可以采用低成本编码器，客户可以按照实际的精度需求选择不同精度的编码器，TRINAMIC在全闭环产品中有单轴，3轴和6轴几个 系列。

上图为TMCM-351产品 集成3轴步进控制+驱动+编码器反馈

IMS公司的闭环步进控制方案：

IMS在最近推出的新产品AccuStep系列产品中采用了全伺服闭环方式的步进闭环控制，IMS公司亚太区业务经理Lee Wan Loog说AccuStep系列产品的出现弥补了步进电机和伺服电机

之间的空白区域，通过下面的图示很容易了解他的意思

但在AccuStep系列产品中最大的功能是电流的即时增加功能和停止时的准确定位功能。 AccuStep产品如果在运动过程中遇到的阻力过大时，普通的电机会发生堵转丢步现象而AccuStep产品会在遇到阻力时立刻自动将电流增大以克服外部的阻力，而且在电机停止时确保电机精确定位不会发生向伺服电机那样在停止时不断抖动，寻找校验点。

值得一提的还有IMS甚至将控制+驱动+反馈+机械传动集于一体，大大减少体积和由于配置时带来的误差。

在这几个闭环方式中全伺服闭环控制占据非常大的比率，

在医疗设备、生物科学仪器、实验室自动化设备、包装设备、半导体设备被大量应用。

增加的成本是否物有所值

任何系统增加额外的元件或开发过程都带来额外的成本。对闭环步进系统而言也是这样，虽然获得了很多好处，仍然带来了一点额外的成本。即使增加了一点反馈装置的成本，与其他闭环运动控制技术相比步进电机仍然是低成本的解决方案，为保证结果的精确性，付出这点额外的成本是值得的。在重要的应用场合一个错误所带来的成本损失将远远高于反馈元件的成本。

另外，被控过程中材料的价值也会影响成本方程式的平衡。步进电机经常被用于处理非常昂贵的材料，从电子元件到DNA样本。为防止失效发生而增加反馈的额外成本是值得的。无传感器技术一样能够得到很多基于传感器的反馈技术的优点，并且以更低的成本提高步进电机控制性能。随着新一代数字式步进电机控制技术的进步，将会越来越少地依赖于外部传感器反馈并为机器制造商节约成本。

市场观点

据增量运动控制协会——运动控制领域的专业咨询组织估计，有8％～10%的混合步进电机应用采用了步校验控制。目前使用其他闭环步进控制法的比例更少：使用反电动势检测的小于1%，使用全伺服控制也仅占市场的约1%。但是，预测，“全伺服”方式的增长会比其他方法更快。IMS公司也有类似的观点，其闭环步进应用的销售量保持在10%左右。

无传感器技术拥有光明的前景。随着这些技术的进步，市场上将会有两类电机，极数较多的（步进）电机和极数较少的（伺服）电机，两种都可以有反馈或者无反馈。采用无传感器技术的电机将被用于许多目前需要伺服系统的动态应用中，而有传感器的电机将被用于定位应用中。

-------高 伟