12轴步进驱动的光栅尺全闭环解决方案ZMC412CL

步进驱动为什么要采⽤外置光栅尺？

步进驱动外置光栅尺相较于伺服驱动调试简便、成本低，广泛应用于低速高扭矩、负载波动、机械传动平台高精度末端定位、成本预算敏感的工业控制场景，如自动化设备、精密加工、机器人控制、计量仪器等。

（步进电机开环控制系统原理示意图）

传统步进系统采用开环控制，脉冲指令与传动平台末端位移的最终位置可能并非是目标位置，易受传动链误差及负载扰动影响而产生定位偏差。通过外置光栅尺后，可直接反馈负载的实际位移，控制器基于位置误差实时修正脉冲输出，实现平台末端的全闭环高精度运动控制。

（步进电机全闭环控制系统原理示意图）

正运动12轴步进控制的光栅尺全闭环解决方案：ZMC412CL

为了解决这些问题，正运动推出12轴脉冲型网络运动控制器ZMC412CL，支持多轴位置反馈闭环控制，并在运动过程中基于反馈误差对脉冲指令进行实时修正，从而降低末端位置误差与失步风险。

控制器采用FPGA实现底层运动控制与反馈信号高速采集处理，并提供统一API开发函数库，用户可进行二次开发快速构建闭环控制应用。方案在保留步进控制系统低成本、易集成、易调试优势的同时，并将末端精度与系统可靠性提升至趋于脉冲伺服控制系统的应用水平。

步进电机的外置光栅尺全闭环解决方案

ZMC4系列高效的网口读写，PCIe/PCI系列卡可共享内存接口（MotionRT750系列产品共享内存的批量读写1-3us）；

内置反向间隙补偿，双向螺距补偿，2D平面补偿；

开放的PT/PVT接口客户可自定义加减速算法的二次编程；

支持正、负、零限位的硬限位设置和正负限位的软限位设置；

控制器位置比较输出最高精度可以精确到1个脉冲；

BissC编码器的脉冲控制的全闭环；

ABZ差分编码器的脉冲控制的全闭环。

通过RTSys示波器对比开环控制与全闭环控制效果

开环控制

闭环控制

测试发现：步进驱动器的闭环控制，运动过程中随动误差（规划位置和光栅尺反馈位置的差值）除了启动和停止以外大部分保持在0个脉冲当量左右，相比较开环控制有较大的提升，当运动结束时光栅尺的反馈位置和指令规划位置也是相等的。

总结：在相同速度/加速度与负载条件下，运动开始阶段，两种方案均有振荡。开环控制方案在运动阶段峰值误差更大、振荡衰减过程更长，表明末端误差受传动链与机构动态影响更明显。

引入光栅尺全闭环后，系统以负载真实位移为反馈量，随动误差峰值降低且误差收敛更快、稳定时间更短。结果说明全闭环可有效抑制传动误差、间隙与扰动引起的末端偏差。

ZMC412CL脉冲型网络控制器硬件信息

本身支持12轴，最多可扩展至32轴。

24路通用数字量输入，8路高速锁存，12路通用数字量输出，2路PWM输出和4路PSO硬件比较输出。

支持2路模拟量输出DA。

支持RS232、RS485、CAN总线以及EtherNET网口等通讯接口。

以太网接口，可实现生产线或系统的远程控制、集散控制。

兼容步进、马达、伺服等常见电机，可以实现直线插补、圆弧插补、螺旋插补等平面和空间轨迹控制要求。

支持开环、半闭环与全闭环控制下的相对/绝对运动、点动、用户坐标系运动及多轴联动等功能。

集成ABZ增量式与SSI/BissC绝对式编码器反馈接口，支持步进半闭环/全闭环控制，同时支持双反馈（电机端编码器 + 光栅尺）闭环控制。

可通过RTSys IDE开发环境的API接口使用各种环境与上位机语言进行运动控制项目代码的编程、测试、调试与配置。

（纯国产IDE开发环境RTSys）

（可调用统一API函数库进行开发）

正运动技术专注于运动控制技术研究和通用运动控制软硬件产品的研发，是国家级高新技术企业。正运动技术汇集了来自华为、中兴等公司的优秀人才，在坚持自主创新的同时，积极联合各大高校协同运动控制基础技术的研究，是国内工控领域发展最快的企业之一，也是国内少有、完整掌握运动控制核心技术和实时工控软件平台技术的企业。主要业务有：运动控制卡_运动控制器_EtherCAT运动控制卡_EtherCAT控制器_运动控制系统_视觉控制器__运动控制PLC_运动控制_机器人控制器_视觉定位_XPCIe/XPCI系列运动控制卡等等。

审核编辑 黄宇