开环步进电机与闭环步进电机系统比较

开环步进电机与闭环步进电机系统比较

步进电机系统是运动控制行业的基石。我们将研究开环系统与闭环系统之间的差异，并了解步进电机最新的发展，步进电机系统比以往更快，更安静，更节能。

从电压驱动和完全步进的早期阶段开始，步进电机系统已经走过了漫长的道路。首先是PWM驱动和微步进，然后是数字信号处理器（DSP）和反共振算法。现在，新的闭环步进技术确保步进电机在未来几年继续成为运动控制行业的基石。

这是AppliedMotionProducts的StepSERVO闭环集成步进电机的剖视图。

无论运动是线性运动还是旋转运动，决定哪种电机和驱动系统最合适的两个首要考虑因素是扭矩和效率。这适用于最终的应用是：自动装配系统，材料处理机器，3D打印机，笛卡尔定位器，蠕动泵，还是无数其他应用，其中步进电机是优选技术方案。

步进系统的最新发展是应用低成本，高分辨率的反馈设备和先进的DSP使步进运动形成一个闭环的环路。这种控制可以提高闭环步进性能，使其优于开环系统。正如我们所看到的，一个这样的闭环系统在集成电机设计上得以实现，包括反馈设备，驱动器和控制器板，电源，通信和I/O电子设备，以及电机侧面和背面的系统连接器。

开环与闭环步进系统比较

首先让我们探讨高性能闭环步进系统在扭矩和效率方面与传统开环步进系统的比较。

闭环步进系统优于开环系统，如实验室测试结果所示，比较两个系统的加速度（扭矩），效率（功耗），位置误差（精度），发热量和噪音水平。只考虑扭矩和加速度之间的关系。扭矩-速度曲线显示闭环步进系统的峰值和连续扭矩范围明显优于开环步进系统的可用扭矩范围。通常情况下，现实世界中的扭矩会转化为加速度-因此具有更大扭矩的电机可以更快地加速给定负载。

为了在实验室中测试扭矩性能的这种差异，同样大小的开环和闭环步进电机系统获得相同的惯性负载。编程命令两个系统执行相同的移动配置文件，除了加速率和最高速度在每个系统中缓慢增加，直到它们产生定位错误。

这里我们有一个开环与闭环系统之间的移动剖面比较。这是来自StepSERVO闭环系统和来自开环系统的系统之间的比较。闭环系统（由于其更高的扭矩产生能力）获得最大加速率2,000转/秒2和最高速度20转/秒（1,200转/分钟），如此处所示。

假设开环系统的最大加速度为1,000转/秒2，最高速度为10转/秒（600转/分钟）。该最高转速为10转/秒与转矩-速度曲线的平坦部分结束的位置相关。闭环系统（由于其更高的扭矩产生能力）获得最大加速率2,000转/秒2和最高速度20转/秒（1,200转/分钟）。

这是开环系统性能的两倍，并将移动时间减少了近一半-从110毫秒减少到60毫秒。

对于需要高响应的应用（例如索引，边缘导向定位和拾取和放置系统），闭环系统提供了明显的性能优势。

开环与闭环效率比较

为了测量开环与闭环系统的相对效率，假设我们使用相同尺寸的相同两个电机重复相同的测试。这次我们将闭环和开环电机并排运行，具有相同的惯性负载，但是运行编程使得运动曲线保持恒定且相等，这样两个系统都能执行相同的工作量。

这是StepSERVO闭环系统与开环系统的相对比较图表。请注意闭环步进系统的卓越性能，如实验室测试结果所示，比较两个系统的加速度（扭矩），效率（功耗），位置误差（精度），发热量和噪音水平。

当两个电机反复指向相同的移动曲线时，测量来自供给两个系统的直流电源的电流消耗并计算功耗。从价值图中可以看出，开环步进系统的平均功耗为43.8瓦，而闭环系统的平均功耗仅为三分之一-平均为14.2瓦。功耗的这种显着差异清楚地表明闭环系统的更高效率操作。任何希望提高开环步进系统系统效率的用户现在都可以考虑简单升级到闭环系统，并期望显着降低功耗。

这种StepSERVO闭环系统和开环系统的功耗比较显示了StepSERVO的更高效率。

如何解决电机发热问题

功耗测试的自然延伸是对电机发热的研究。开环步进系统是简单的野兽。只需设置电机额定电流的驱动器，驱动器将尽力为电机提供电流，无论是否需要产生的转矩。这通常会导致产生热量而不是能量产生应用功能-这也是开环步进系统通常比闭环对应系统运行更热的原因。这也意味着机器设计人员必须采取额外措施来应对这种热量，通常包括在人工操作员附近运行的步进电机周围的特殊防护，或者安装额外的冷却系统，如风扇。

考虑在实验室中使用与上述相同的开环和闭环系统进行的电动机发热测试的结果。在该测试中，两个系统再次产生相同的工作量来驱动相同的惯性载荷，并且允许它们运行直到它们达到热平衡。开环系统的外壳温度达到76.0°C，而闭环系统在温度仅为36.9°C的情况下达到热平衡-不到开环系统的一半。电机发热显著减少意味着机器制造商的组件成本降低，因为它们可以省略额外的防护和冷却子系统。

这是StepSERVO闭环系统和开环系统的实验室测试温度比较。它显示了使用与本文详述的其他测试相同的开环和闭环系统进行电机加热测试的结果。

噪音测试比较

关于开环步进系统的另一个常见抱怨是，它们会产生相当多的可听噪声。在某些环境中，例如实验室，医院和办公室，这种噪音可能给机器设计者带来真正的问题。

步进电机发出的噪声源于高电频率和定子齿中的快速磁通变化，并且因为无论负载如何，开环系统都在满额定电流下运行。另一方面，闭环步进系统为电动机提供足够的电流来控制负载，从而产生更少的可听噪声。

此处显示的是可听噪声，与开环系统和StepSERVO闭环系统的速度相对应。闭环步进系统为电机提供足够的电流来控制负载，与开环设置相比，这导致可听噪声要小得多。

为了产生本文附带的声学噪声图中所示的测试结果，在隔音室中测量每个系统的声学噪声。闭环系统比开环选项安静得多，速度从0到20转/秒。该速度范围与最常使用步进电机系统的应用的实际速度范围一致，这意味着如果切换到闭环系统，绝大多数步进电机应用可受益于降低的电机噪声。

更好的精度可以消除位置误差

开环步进电机系统因其在没有反馈机构或闭环控制系统的情况下精确定位负载的能力而受到重视，但前提是开环系统具有足够的扭矩余量，使得在正常操作期间不会发生位置误差。为了提高精度，并且为了更稳健的系统设计，关闭来自高分辨率编码器的反馈的伺服位置环允许闭环系统自动补偿扭矩需求的增加，否则会导致开环系统中的位置误差。这极大地提高了整体系统精度，特别是对于高度动态的应用，例如拾取和放置系统以及需要短时间，快速移动和频繁改变方向的3D打印机。

StepSERVO闭环（峰值扭矩），StepSERVO闭环（连续扭矩）和开环（可用扭矩）之间的动态扭矩比较。这些图显示了闭环步进系统的峰值和连续扭矩范围以及开环步进系统的可用扭矩范围。开环系统输出的最大加速度为1,000转/秒2，最高速度为10转/秒（600转/分钟）。该最高转速为10转/秒与转矩-速度曲线的平坦部分结束的位置相关。

升级现有的步进系统

在集成步进电机系统中的组件中，当从开环到闭环时，电动机，功率放大器和通信成本通常不会增加。控制电子设备可能需要更多的中央处理能力或存储器来伺服控制电动机，但这些通常不会对列表价格产生影响。开环和闭环步进系统之间的成本差异主要在于增加了高分辨率反馈设备，但制造方面的改进使这些设备越来越便宜。所以现在，闭环步进系统保持了开环步进系统相对于其他类型定位系统（例如传统伺服系统）的成本优势，但几乎在所有方面都大大提高了性能。

除了最小的成本增加之外，通过NEMA框架尺寸产品简化了从开环步进系统到闭环系统的升级。闭环NEMA23步进电机与开环NEMA23步进电机具有相同的框架尺寸，导向直径，螺栓孔圆和螺栓孔直径，因此安装支架保持不变。闭环系统可获得的更大扭矩意味着闭环步进电机的轴直径可能更大，但通常可以通过简单地改变联轴器来很容易地解决这个问题。