比较闭环与开环步进电机的测试结果

作者：Applied Motion Products 全国营销经理 Eric Rice

多年来，开环步进电机由于其简单、出色的定位和低成本而在自动化应用中占据了重要地位。然而，随着制造商利用更快的机器来增加产量，开环步进机正面临挑战。他们可能需要为闭环步进系统让步，测试表明，这些系统比开环步进系统具有更大的性能优势。

高产量的生产机械需要高性能的运动控制。因此，使用闭环反馈和先进控制技术的电机可产生更大的扭矩，提供更快的动态响应，并表现出比开环系统更高的运行效率。事实上，闭环步进系统产生的峰值扭矩比额定保持扭矩高 50%，从而实现更高的加速度。闭环还意味着电机仅在需要时才汲取电流，因此此类步进电机比开环电机运行时更凉爽、更安静。以下比较闭环与开环步进电机的测试结果支持这些说法。

满足更高的加速要求

高吞吐量过程需要电机快速启动和停止。电机的可用扭矩决定了它的启动和停止速度。闭环步进电机产生更大的扭矩，因此加速和减速更快。

Applied Motion Products 在闭环与开环步进系统(图 1)之间进行的比较测试结果表明，闭环步进不仅在加速和效率方面表现出色，而且在更冷的温度下运行，并且可闻噪声更少. 该测试使用具有 460 g-cm 2外部惯性负载的相同大小的开环和闭环步进系统 来比较加速度。曲线显示了闭环步进系统的峰值和连续转矩以及典型开环步进系统的可用转矩。

图 1：相同运行条件下闭环与开环系统的扭矩比较。

反过来，扭矩会增强加速度。开环系统的最大加速度为 1,000 转/秒2 至 10 转/秒。与开环步进系统相比，闭环步进系统在更高的速度下产生更高的峰值扭矩和更高的扭矩，以 2,000 转/秒2的加速度 和 20 转/秒的速度驱动相同的负载。移动持续时间也减少到 60 毫秒。更快的移动实现了几乎两倍的周期/分钟(参见图 2)。

图 2：闭环系统中的更大加速度允许更快的移动，实现几乎两倍的周期/分钟。

更低的能源需求意味着更低的功耗和更少的热量

通常，提高机器的速度和吞吐量意味着消耗更多的电力。然而，在闭环步进系统的情况下，情况正好相反。与开环步进电机相比，闭环步进电机实际上消耗更少的能量并浪费更少的热量。

使用相同操作参数的并排比较测量了开环与闭环步进电机系统的相对效率。该测试为两个系统实现了相同的移动曲线(参见下面列出的参数)、负载惯量和转子惯量。两者均由 48 Vdc 电源供电。

移动参数包括：

加速 = 100 转/秒2

减速 = 100 转/秒2

距离 = 5 转

速度 = 10 转/秒

停留时间 = 0.1 秒

测试结果(图3)表明，开环步进系统的平均功耗为43.8 W，而闭环步进系统仅消耗14.2 W。

图 3：闭环步进系统比开环步进系统需要更少的电流消耗。

这种降低的功耗也意味着更少的能量被浪费为热量。这不仅可以节省能源，还可以提高可靠性并简化热设计。热量会影响机器的运行和寿命。对于在高于产生运行电机所需扭矩的电流下运行的开环步进器而言，保持较低的工作温度通常具有挑战性。

节能的关键是闭环系统提供的控制。当为电机的额定电流设置驱动器时，开环步进器会持续将该电流输入电机，无论它是否需要所有扭矩。当负载不要求扭矩时，额外的电流会以热量的形式损失掉。当负载不要求扭矩时，闭环步进电机系统会自动降低电机电流。事实上，它们只施加驱动负载所需的电流。

Applied Motion Products 进行的一项测试比较了开环和闭环步进系统在被命令连续执行相同动作时的差异。两台电机驱动的惯性负载为 460 g-cm 2，等于它们的转子惯性。

移动参数包括：

加速 = 100 转/秒2

减速 = 100 转/秒2

距离 = 5 转

速度 = 10 转/秒

停留时间 = 1 秒

运行测试 30 分钟后，开环步进系统的外壳温度升至 76°C，而闭环步进系统的外壳温度为 36.9°C。

降低噪音

许多人没有想到的电机特性之一是它们发出的声音。嘈杂的机械可能具有破坏性，并对工人的健康和安全产生不利影响。开环步进电机由于高电频率和定子齿中磁通量的快速变化而产生可听见的噪音，并且因为它们在全额定电流下运行电机而不受负载影响。由于闭环系统为电机提供的电流刚好足以控制负载，因此其声级较低。事实上，由于电机绕组中的电流较小，闭环系统可将噪声降低 10 dB。

基于这些测试，结果表明闭环步进电机系统为高吞吐量机器提供了更好的选择，因为它加速更快、运行更安静，并且由于消除了失速条件而提高了整体系统精度。它们提供与开环电机相同的 NEMA 框架尺寸，可轻松替换新应用和现有应用中的现有开环电机。

　　审核编辑：汤梓红