在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，步進(jìn)電機(jī)因其精準(zhǔn)的控制能力而被廣泛應(yīng)用，從工業(yè)機(jī)器人到3D打印機(jī)，再到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)，都能看到它的身影。傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)是一種開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，能夠通過(guò)控制脈沖精確控制轉(zhuǎn)子的角度位置，而無(wú)需依賴傳感器反饋。這種控制方式使得步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸入按照固定規(guī)律發(fā)出，電機(jī)僅依靠既定脈沖工作。由于其低成本和簡(jiǎn)易性，大部分基于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)都運(yùn)行在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下。然而，開(kāi)環(huán)控制也存在潛在問(wèn)題，例如在指令步與實(shí)際步之間可能會(huì)失去同步。

閉環(huán)控制的出現(xiàn)為步進(jìn)電機(jī)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。閉環(huán)控制通過(guò)將被控輸出以一定方式返回到輸入端，并對(duì)輸入端施加控制影響，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制效果。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)而言，閉環(huán)控制采用位置反饋或速度反饋來(lái)確定與轉(zhuǎn)子位置相適應(yīng)的相位轉(zhuǎn)換，閉合了回路以校驗(yàn)和控制失步、檢測(cè)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，并保證更大的有效力矩輸出。這種技術(shù)不僅提升了步進(jìn)電機(jī)的精度和效率，還使其具備了與伺服電機(jī)相媲美的性能，同時(shí)保留了步進(jìn)電機(jī)低成本的優(yōu)勢(shì)。閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)因此成為對(duì)安全性、可靠性和精度要求較高的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)之選。

伺服電機(jī)通常配備編碼器并依賴編碼器工作，而閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)（步進(jìn)伺服電機(jī)）則兼具步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)特別適用于需要頻繁啟動(dòng)和停止的場(chǎng)合。即使在皮帶機(jī)構(gòu)、凸輪、鏈條驅(qū)動(dòng)等負(fù)載發(fā)生變動(dòng)的情況下，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)也無(wú)需通過(guò)增益調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)精確定位。相比之下，伺服電機(jī)的增益調(diào)節(jié)過(guò)程復(fù)雜且耗時(shí)，且在停止時(shí)由于依賴編碼器定位，無(wú)法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)靜止，而閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)則能夠無(wú)振動(dòng)地停止，特別適合用于低剛性機(jī)構(gòu)，如光學(xué)領(lǐng)域等。此外，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)相比同等安裝尺寸的伺服電機(jī)，能夠驅(qū)動(dòng)更大慣性的負(fù)載，并且可以在3000-4000RPM的高速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行而不丟步。與開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)一樣，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)與控制指令同步運(yùn)行，能夠在短行程、短時(shí)間內(nèi)完成精確定位，而傳統(tǒng)伺服電機(jī)由于存在位置整定時(shí)間，通常不適用于短行程定位場(chǎng)合。

閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的另一大優(yōu)勢(shì)在于其寬廣的速度范圍和大力矩輸出能力。與傳統(tǒng)的微步（細(xì)分）驅(qū)動(dòng)不同，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)可以根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速采用獨(dú)特的電流控制技術(shù)，在高速范圍內(nèi)依然能夠輸出大力矩。配合ADI Trinamic的CoolStep和Dcstep驅(qū)動(dòng)器，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的輸出電流會(huì)隨著外部負(fù)載動(dòng)態(tài)增加或減少。由于采用了矢量控制技術(shù)以及ADI Trinamic特有的StealthChop和SpreadCycle專利技術(shù)，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)振動(dòng)、靜音運(yùn)行。此外，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)與Coolstep技術(shù)結(jié)合，能夠減少電機(jī)發(fā)熱，降低運(yùn)行溫度，提高效率并實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

傳統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)通常采用控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)分體式設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)存在接線繁瑣、售后服務(wù)不便以及脈沖/方向控制信號(hào)容易受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾等諸多缺點(diǎn)。同時(shí)，由于編碼器信號(hào)僅反饋到驅(qū)動(dòng)器，屬于半閉環(huán)，無(wú)法檢測(cè)控制部分的脈沖丟失。而ADI Trinamic采用的位置全閉環(huán)控制模式，模塊集成了總線接口、運(yùn)動(dòng)控制功能、輸入輸出、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和程序存儲(chǔ)，編碼器信號(hào)反饋到模塊內(nèi)部完成閉環(huán)控制，具有布線簡(jiǎn)單、控制精確、售后維護(hù)方便等諸多優(yōu)勢(shì)。

在閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方案中，TMC4361與TMC2130/TMC5130（小功率）或TMC2160/TMC5160（大功率）的組合是高性價(jià)比的選擇。TMC4361是一款步進(jìn)電機(jī)全閉環(huán)伺服控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的全閉環(huán)工作，并帶有S形斜坡發(fā)生器，可實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)的加減速，防止電機(jī)啟停時(shí)發(fā)生過(guò)沖現(xiàn)象。此外，TMC4361采用ADI Trinamic的DcStep、閉環(huán)控制和ChopSync技術(shù)，能夠快速驅(qū)動(dòng)高負(fù)載而不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)損耗。

例如，在閉環(huán)控制的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)發(fā)出了1000個(gè)脈沖但電機(jī)只走了998步，系統(tǒng)將發(fā)送指令反饋給MCU，MCU再補(bǔ)回兩個(gè)脈沖，讓電機(jī)完成1000步的指令。閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)具備校驗(yàn)步數(shù)、防止丟步、堵轉(zhuǎn)檢測(cè)、力矩控制等關(guān)鍵技術(shù)，其穩(wěn)定性更好、精度更高，同時(shí)具備高響應(yīng)、高速性。

TMC4361步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方案的優(yōu)勢(shì)在于支持絕對(duì)值編碼器，可選增量編碼器或絕對(duì)值編碼器，為工程師設(shè)計(jì)提供了便利。此外，它還具備S形斜坡控制、急停防過(guò)沖、頻繁啟停能力、任意點(diǎn)加減速控制、免增益靜止無(wú)抖動(dòng)、靜音低速無(wú)抖動(dòng)以及高速高效率高響應(yīng)等特點(diǎn)。

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