華中科技大佬一週講完的【電機選型】零基礎教程，從步進電機、伺服電機到直線電機等等，涵蓋了所有電機知識，這還學不會，我退出機械圈！！ P9 - 電機選型：開環步進與閉環步進區別，控制原理

上期我們有講到 開環佈置電機在高速情況下容易丟布 導致位置走位不準 頻繁報警的情況 那怎麼樣來解決這一問題的徹底性呢 我們可以換伺服 或者是採用閉環佈置進行替代 那閉環佈置的話相對來說成本適中 比伺服電機便宜 然後又比佈置電機稍微貴一點 貴不了太多 但是能夠徹底解決丟布問題 實現閉環控制 那什麼是開環佈置 什麼是閉環佈置 那它們各自的特點有哪一些 我們今天用一節課的時間給大家講明白 本節課的話 我們進入到了佈置電機選新專輯的第七個點 首先我們要知道所謂的開環和閉環 本質上面它就是有無反饋 大家記住 我給大家打算一下 本質上面就是有無反饋的區別 當然其實這兩種電機的話 在我們設計的時候底層邏輯還是有些不同的 尤其是這樣的一個驅動器上面 那我們可以看到的 比如說我們採用了這樣的一個開環佈置電機 開環佈置電機的話 它沒有位置和速度反饋 就是驅動器 它假設就是說你電機完全是按照指令去運行的 而閉環佈置電機 它帶有實時反饋 控制器會根據反饋動態進行調整輸出 確保電機精確的達到指令位置 我給大家帶來了兩套佈置系統 當然這邊我用這樣的一個實物給大家展示一下 這個上面這一套就是開環佈置系統 大家看到它有一個開環驅動器 然後有一個電機 這個大家可以看一下 它只有我們的這樣的一個電源線 也就是四根線 A-A-B-B 那麼如果說我們下面這一套的話 這個藍色的驅動器 它稱之為57高性能閉環佈置電機驅動器 如果說我們把這個兩個驅動器拆開的話 結構會有所不同的 那這裡面大家看到 這個下面這是閉環佈置 它除了有我們的這樣的一個電源線之外 它還有編碼器線 大家看到這個編碼器線還帶了屏蔽 當然這個屏蔽 你看老師把它扭成了豬尾巴一樣 這個是不行的 如果是你扭成了豬尾巴 它的屏蔽作用是沒有了的 所以一定要散開 散開讓它這樣子包裹 然後這個電機尾端大家看一下 它有一個編碼器 一般情況下會使用一個增量式的編碼器 這個編碼器像以雷賽為例 雷賽的話基本上是分辨率為4000的 所以如果它是一個 比如說兩箱的佈置電機 大家想一想 這個只要200個脈衝 這邊的話它可以返回4000個脈衝 所以它的分辨率是遠遠高於 我們對應的這樣的一個 開環佈置電機的脈衝數的 這個時候它的精度會大大提升 當然從控制原理上面 很多同學會說 老師那它的底層邏輯是什麼呢 我想弄懂 那這個時候不急 我們會給大家講明白 今天本節課的話 我會從控制原理 包括它的優劣勢以及選型方面 給大家做一個總結 這裡面的話我給大家打出來一下 就是進行截圖 給大家截到筆記裡面 當然這個筆記如果是大家想要的話 都可以免費分享給大家 如果是想要的同學可以在評論區留言 我們這邊給它進行標記一下吧 標記一下就是 我們上面的這一套 就是開環佈置電機 大家可以看一下 開環佈置電機 然後下面的這一套 就是閉環佈置電機 我們等一下因為要講到 它的一個區別 所以我們最好是有這樣的一個圖 會好一些 閉環佈置電機 這裡面它的區別 首先來講第一個控制的區別 首先控制的區別的話 還是蠻大的 大家發現沒有 比如說我們如果是 使用的是開環佈置電機 開環佈置電機 那這裡面 它的基於佈置的這一概念 那驅動器就會發脈衝 給我們的電機 發一個脈衝 它就轉動一個角度 比如說兩箱的 就是1.8度 然後通過這樣一個脈衝數量 來決定電機的旋轉角度 控制脈衝的頻率 來決定電機的旋轉速度 這個時候上位機 比如說P2C發指令給它 然後這個驅動器 分配好這個脈衝之後 電機就進行旋轉 它這裡面整個系統的話 它是做了一個假設的 開環佈置電機 它就是有一個假設的現象 這個假設的現象就是 我假設你電機走 已經精確的按照 每一個脈衝完成的轉動 它沒有驗證和反饋機制 反饋的機制 它的開環就是它沒有反饋 所以它是開環特徵 開環特徵就是控制器 控制器到驅動器 到流動器 然後到電機 它就是一個 整個的一個流程是這樣子的 相當於我們如果是通俗一點來講 就是像蒙著眼睛走路 如果是我們通俗一點來講 就像一個人蒙著眼睛走路一樣 眼睛走路 那麼蒙著眼睛走路的話 就是心裡數著 我走了多少步來估算位置 如果是我一旦被絆了一下 或者是一旦我在高速情況下 我要進行這樣的一個停止的時候 因為它的輸出率就下降了 所以這個時候的話 它的佈置就會亂 它就不知道自己走到哪裡去了 所以蒙著眼睛走路 走位就怎麼樣 走位就不準 對吧 這裡用這個比喻 大家就能夠明白 走位不準 然後尤其是快速走路的時候 不準 快速 快速走路時 這個時候大家看到 這就是開環 開環的話 我們當然也可以給它進行加量處理 當然這個筆記 大家如果是需要的話 到時候大家都可以免費領取的 上面的圖片大家都可以截圖 也可以做到自己的筆記裡面去 那我們閉環佈晶呢 這個時候我們要講一講 閉環佈晶的重頭戲 閉環佈晶電機則不然 閉環佈晶電機 它是有這樣的一個特性的 就是說 前面我講到 它加了一個這個編碼器 對吧 一般情況下 雖然說它是增量式 不是絕對值式的 但是它也遠高於我們 普通佈晶電機的分辨率了呀 對不對 那這個時候控制器 它不僅僅會怎麼樣 就是說發送指令給我們的驅動器 驅動器發脈衝給電機 電機還會反向怎麼樣 進行脈衝的反饋 從而實現這樣的一個調整 也就是說 我這個時候在後面會怎麼樣 會有一個眼睛盯著你 你電機轉了多少圈 對吧 那這個時候 我還會進行這樣的一個反饋 你走得快了 走得慢了 走多了 或者走少了 我還要給你進行這樣的一個怎麼樣 調整回來 我要用鞭子抽你 把你抽到對應的位置來 對不對 所以這就是閉環佈晶 那我們來看一下它的工作流程吧 剛才雖然說我簡單講了一下工作流程 但是還是不嚴謹 就是說這個時候 一般情況下 控制器會有這樣的一個指令 同樣是發送目標位置指令 然後一般情況下就是位置值 然後呢 智能驅動器 我跟大家說一下 這個稱之為就是智能驅動器 智能驅動器的話 閉環佈晶的驅動器 是帶有一個微處理的智能系統的 它內部集成的控制算法 通常是PID的這個算法 那麼這個時候的話 大家可以發現 如果是它集成的這個算法的話 那我讓電機進行轉動 同時我進行這樣的返回 那麼驅動器就會根據目標位置 和編碼器返回的實際位置 計算出你的位置誤差 計算出位置誤差之後 根據這個誤差 那驅動器就會動態調整 輸出給電機的電流 包括大小和相位 以產生更大的扭矩 來糾正這個誤差 對吧 使電機快速準確的 達到我的目標位置 所以它是一個 什麼樣的一個情況呢 它是實時驗證 實是實際的實 對吧 實時驗證 實時驗證的話 就是整個過程是實時的 閉環的 最終的話呢 它保證 保證我們的位置誤差 位置誤差 趨近於零 大家記住 因為它有編碼器返回 而且它分辨率比較高 所以它的這樣的一個誤差 趨近於零的 當然這裡面也要給大家講清楚 不管是伺服電機 還是閉環不進 對吧 它只是半閉環 因為它只是返回 電機轉了多少度 它不是距離的 比如說我們的這一個 模組的滑臺 到哪個位置 如果是你要檢測 模組滑臺到哪個位置 那你要加光散值 或者熟散值 這一點要大家記住 好吧 好 那麼就是趨近於零吧 所以它就是還是會有的 其他方面的一個影響 好吧 好 那有很多東西說老師 那麼它的這個是什麼特徵呢 就是閉環特徵 對吧 閉環特徵 就是我不僅僅要發指令給你 你還要給我反饋 反饋回來之後的話 大家看到 我再進行這樣的一個調整 調整之後 我到底是怎麼樣進行實際的情況 我還要給你反饋 對吧 所以這樣子的話 你看到沒有 它的精度 它的控制的穩定性 對吧 因為它走位的精確度 確實是要高於 我們的開環不進的 對不對 我要給截圖 截圖放在我們的筆記裡面 好 那這裡面的話 就是實時驗證誤差趨近於零 好 然後呢 它信息流 它構成的是一個閉環環路的話 那麼這個閉環環路 我給大家打算一下 比如說我們的控制器 對吧 然後發指令給驅動器 對不對 驅動器的話呢 這個時候 給我們的這個電機 電機後面的編碼器 編碼器 它又會反饋給驅動器 對吧 驅動器的話 又會給電機 然後進行調整 所以是一個 完整的 完整的反饋迴路 對吧 完整的反饋迴路 所以它精確 就在這裡 好 那當然呢 很多人就會說 老師它有什麼樣的一個區別沒有啊 它有區別 比如說 開環不進電機 它沒有位置反饋 對吧 它簡單 它是脈衝方向控制 它成本比較低 可靠性高 對吧 當然是沒有傳感器的 故障點比較少 這個就是在一定功放情況下 它可靠性高 然後呢 它低速的情況下 扭矩比較高 然後呢 高速性就比較差了 就是扭矩會隨著 這樣的一個 轉速的升高而下降 這就是平均性 之前我們很多傑克 都給大家展示了的 對吧 是否會丟步呢 開環不進電話前面 我們講到 它會丟步 尤其是當負載扭矩 瞬間超過 電極實際輸出的 扭矩的時候 就會丟步 且系統沒有辦法感知 它也會存在 這樣的一個 獨轉和過熱現象 就是即使 這一個電極獨轉 電流依然會持續輸出 所以會導致 能耗也比較高 就始終以 全電流或者是 設定電流工作 但變環不進電器 你看 它的區別就 很大了 跟開環不進 第一個 它裝有高 編編率的 這樣的一個編碼器 一般情況下 是增量式的 對吧 然後呢 它控制方面比較複雜 它有算法處理 這個返回信號 它的成本相對來說 高一些 因為為什麼呢 因為它增加了 這個編碼器 增加編碼器 會增加一定的成本 然後可靠性 這個也是比較不錯的 取決於編碼器的可靠性 通常的話呢 大家知道吧 編碼器它很少出問題 所以這一個 尤其是光編 因此它的穩定性也很好 它要高於 我們的一般的 開環不進 在同等的基座號情況下 一般情況下 比如說像同樣的 這個是開環不進 這是閉環不進 那麼呢 閉環不進的力矩輸出 會高很多 對吧 高速性的也比較優秀 一般開環不進電器 可能是500到600轉 每分鐘吧 但是閉環不進 可以做到1500轉 每分鐘的 這樣的一個高速運行 然後的話呢 在高速運行的話 通過返回補償 可以維持這樣的一個扭矩 以及它的一個位置精度 它不會被丟步 因為一旦檢測位置誤差 即將丟步的情況下 那麼這個時候 驅動器就會增大電流 來進行這樣的一個力矩增大 從而實現精準走位 或者是進行位置的糾正 然後呢 它也不會出現這個 獨轉或者是過熱現象 當然這個不會是不容易 因為到達位置之後 驅動器可以大幅降低 或者是切斷電流 是進入了節能模式 因此它發熱也會比較小 所以它的能耗比較低嘛 它會根據負載動態來調整電流 因此節能方面 比開環不進要好很多 所以這就是它的區別啦 對不對 開環不進與閉環不進 區別是很大的耶 那麼我們來講一講 它的核心優勢和優劣勢 核心優勢 我們來總結一下 剛才的話 我就給大家講一遍 我就沒打了 因為字太多了 我們真正去講的話 藍萌老師就是講課的話 就滔滔江水 言言不絕 你看我語速又非常快 對不對 所以這個時候的話 我給大家把這個核心優勢 給大家羅列出來 大家後期做筆記就好做一些 還有就是劣勢 當然劣勢我們也總結一下 好 劣勢 分析 這裡面我們先給誰打出來呢 我們先打開環不進吧 好吧 開環不進的優勢與劣勢唄 好 那麼我們來給大家打一下 開環不進電機 然後呢 優勢 優勢成本低了 對吧 成本低 然後結構簡單 當然還有就是設置也比較方便 比如說它的控制方式設置 它是比較方便的 當然它的效率比較低 效率低 這是比較明顯的 發熱嚴重 但我們這裡先別寫它的劣勢吧 這是屬於劣勢了 設置方便之後的話 就是可靠性高 可靠性高還是可以的 我們在做設計的時候 有時候為什麼大量的使用 不僅僅是因為它便宜 它有時候可靠性高也是一個特點 所以可靠性高的話 它是在適用的情況下 大家記住 一般情況下 這個是在適合的轉速 及工況情況下 適合的轉速就是500到600轉每分鐘 對不對 這個工況情況下 它是比較好的 工況下 礦是這個礦 工況 好那我們打出來 工況下 好那麼這是這個 那它的劣勢也比較明顯 大家記住 開完不接電器 其實我們之前也講過 就是第一個 它會存在 大家記住 我們這裡面會顯示 存在丟布的風險 為什麼我們不說它丟布呢 因為在 比如說像 如果是500轉600轉的 每分鐘的轉速情況下 它丟布是情況很少的 如果是穩定運行 所以存在丟布風險 我們只能說 對吧 高速情況下丟布風險 而且高速 高速的性能差 我們這裡說的高速性能差 就是超過500 或者是600轉的情況的時候 那麼它高速性能 就是有時候 走不準位置 對吧 它的力矩輸出 可能會比較 小嘛 對不對 好那麼這個時候 就是比較差嘛 好那當然還有就是效率低 效率低就是 它始終會中電流 所以發熱嚴重 發熱嚴重 也是它的一個特點 好那當然 其次就是 極度以來 電機的尺寸選型 是否留有餘量 就是它依賴 依賴選型的合理性 我跟大家打算一下 依賴選型的合理性 好那是這一個 好那當然呢 我們首先的話 把這個講完了之後 我們繼續往 講下一個 講下一個的話呢 就是佈置電機 對吧 佈置電機的這個 閉環佈置 那麼它有什麼樣的優勢呢 如果是我們選擇 閉環佈置電機的話 它這個特性 它就比較經典了 選擇閉環佈置電機的話 它的優勢就是 永不失步 很多人就說老師 這個算是它的優勢嗎 算 因為它與 開環佈置電機相比的話 它不會有失步風險 這裡面就是 永不丟步 對吧 我不會有這個風險 我即使是高速情況下 我也可以怎麼樣 我也可以進行 這樣的一個調整啦 對不對 好永不丟步 第二個就是高速性能好 我前面講到過 閉環佈置電機 在對應的轉速情況下 尤其是1500轉的情況下 它都可以怎麼樣 都會實現穩速的運行 穩速的運行的話 那證明它高速情況是沒問題的 但是它這個轉速 就達不到 就是真正的四部電機的轉速 因為四部電機 真正的轉速可以達到 3000轉每分鐘 所以這一塊的話 它沒有辦法媲美 只是說 我們閉環佈置 與普通的開環佈置相比 它還是有優勢 好 那麼還有就是效率高 效率高 當然發熱小 比如說我們會進入節能模式 所以發熱會比較小 同時我們在進行 這樣的一個設計的時候 你會發現 它的動態響應 對吧 動態響應的話 要好很多 所以這裡面 也是它的一個優勢 動態響應好 結合了佈置電機 低速扭矩大和四部電機 控制精準的優點 所以有時候的話 我們會把它稱之為 這樣的一個閉環佈置 它有時候會稱之為 就是混合四幅 有很多同學 有聽過這樣的一個名字 就是混合四幅 對不對 混合四幅電機 或者是像有些 叫佈晶四幅 都是叫閉環佈晶 好吧 所以這一個點 大家要記住 當然劣勢 劣勢它也比較明顯 劣勢的話 當然這個劣勢 也不一定說明顯 就是你有預算的情況下 還是比較不錯的 它的價格會高一些 一般情況下 價格會高30%到80%左右 比開環佈晶 然後的話 系統會更複雜 系統複雜一些 但是這個不影響 系統複雜一些 複雜一些 然後就是我們價格 它通常介於開環佈晶 和四部電機之間 所以一般情況下 如果預算充足的 我建議大家大膽充 這個電機我是用過的 非常好用 是吧 那麼該如何選擇 很多人就說老師 如果是我繼續選擇的話 比如說我應該如何去選擇 好 這裡面該如何選擇 我給大家做了一個總結的 首先這個總結是怎麼樣子的 總結就是選擇開環 如果是我選擇開環佈晶電機 它就是如果是預算緊張 預算緊張 對吧 這個時候假設成本 對吧 壓得比較死 這個時候的話 我們這個時候一般 不會選擇這樣的一個 高成本的電機吧 一般情況下就是選擇 這種便宜的開環佈晶 負載輕 負載小 而且的話穩定 比如說它沒有這樣的一個突變 對吧 這個時候我們選擇 這種開環佈晶可以 速度不高 速度就是說你這個時候 整體的速度不高 或者是轉速要求不是很高 然後偶爾丟步 也不會造成嚴重後果的 也沒問題的 你丟丟步無所謂的 那你可以選擇開環 如果是你選擇閉環呢 選擇閉環的話 那這個時候大家記住 選擇閉環 就是不允許 大家記住 就是不允許有任何的 任何的丟步現象 就你丟一次都不行 我一定要精準走位的 對不對 那你就採用我們的這樣的一個 閉環佈晶 然後的話 負載可能會有變化 所以負載有變化的話 這個閉環佈晶是可以進行反饋的 進行這樣的一個調整的 然後需要更高的 比如說更高的速度 我負載的速度要更高一些 對不對 所以這個時候的話 也就是說我們就需要 這樣的一個閉環佈晶了 你開環佈晶就跟不上 好 那當然就是希望 降低我們系統的發熱和冷泡 在開環和伺服器電機之間 要尋取一個性價比的平衡 其實在這裡面 我要給大家講一講 就是說一般情況下 就是介於 介於開環佈晶 和伺服器電機應用場景的中間位置 可以選擇 所以這就是它的一個選型 大家記住 你如果是選型的話 你就按照這兩個點去對比 然後合體去選型 絕對沒問題的 那當然其實我們前面也講到過 對吧 佈晶電機 尤其是開環佈晶 就像蒙著眼睛走路 走位不準 快速走路時的話 可能會出現這樣的一個走偏 那這裡面的話 我給大家打出來 會走偏 然後如果是我們進行這樣的一個選擇 閉環佈晶 選擇閉環佈晶的話 如果是我們也這樣子總結一下 那總結一下 就是這樣子 就是我睜著眼睛走路 在這裡面我給大家打出來 就是睜著 睜著眼睛走路 然後的話 我進行走偏的話 會怎麼樣 我走偏 我會進行調整 我邊走 邊走的話 我邊看路標 那相當於就是我去看一下 我到哪裡了 位置到哪裡了 然後我調整 調整什麼 調整步伐嘛 對吧 調整步伐和方向 和方向 那這裡面的話 你看 走位就走得準了 對不對 不會像我們的開環佈晶一樣 它可能會走錯 或者是這樣的一個 你稍微 稍微 這個走偏了 你可能就位置就走不準了 所以得確保 確保走到精準位置 那這裡面我給大家打出來 確保走到精準的 這樣的一個位置 所以這樣子 給大家打出來的話 你會發現 你會很理解 對吧 那我如果是高精度 我需要反饋的 我肯定要選擇 我們的併環佈晶 如果是一般情況下 你如果走偏了也不影響的 位置走不準也無所謂的 然後的話 這個一般情況下 是低速走路的 那我就選擇開環 對吧 這樣子 大家就理解的更加的容易一些 尤其是基礎不好的東西 所以的話 大家發現沒有 其實開環佈晶和併環佈晶 都有它應用的場景 也沒有一個決定說哪個好 對吧 我們要根據實際的工況去選擇 因為我們前面講到過 電機或者是其他標準機的選型 我們有一個原則 這個原則 就是根據工況選擇 夠用就行 大家記住 夠用就行 如果是這個合適的 那麼你就選擇 絕對不會錯 對不對 好那本節目的話 我們關於開環和併環佈晶 它們的區別就講到這裡 大家如果是有其他問題的同學 也可以在後臺留言 老師也可以給大家解答 那如果是需要老師這個筆記的 都可以在評論區留下三個六 我都可以免費的分享給大家 我是工程師丹峯 我們下一節課再見