- 步進運動控制體積和功能問題
- 步進運動控制系統(tǒng)和市場分析
- 步進運動控制伺服系統(tǒng)
步進是唯一可以在開環(huán)情況下運行，而不需位置反饋的運動控制方法。這使得步進電機系統(tǒng)比伺服運動系統(tǒng)簡單得多，成本較低也增添了步進電機的吸引力。再加上其它不斷改進設計，如硬件小型化和高密度力矩，使得步進系統(tǒng)在很多要求較低速度和定位精度運動應用中保持著較強的競爭力。
基于步進的運動系統(tǒng)可以達到0.75kw的功率，但對大多數(shù)應用來說，都是在較低輸出功率中運行的。大批廠商關注于這個市場。
體積和功能問題
parkerhannifin公司認為體積小和操作簡單是步進系統(tǒng)顯著的優(yōu)點，價格便宜是步進系統(tǒng)與伺服運動競爭的又一優(yōu)勢。“步進系統(tǒng)在不增加任何費用的情況下可以做的非常小”產(chǎn)品經(jīng)理marcfeyh說，“是有一些迷你伺服系統(tǒng)，但它們并不那么小，價格還更貴，且更多部件又需要加以微型化。”開環(huán)運行簡單是它的第二個優(yōu)點。然而，在價格/性能的基礎上競爭變得越來越困難了。
以“合理的價格”繼續(xù)改進尺寸并保持性能。parker指出這種趨勢和昂貴的高端步進系統(tǒng)是有所區(qū)別的，它不能和低價伺服系統(tǒng)相競爭。為了滿足尺寸和成本要求，parke的機電自動化部門正在引入步進驅(qū)動/控制器,它是一個微型步進單元，提供了可編程序控制器及集成輸入/輸出端口。
手掌大小的預裝件（1.1×1.5×4英寸）安裝在parker的promech系列線性驅(qū)動器上，構成了微型步進運動系統(tǒng)。park旋轉(zhuǎn)步進幅度降至nema，11，14和17，分別在方形電機的橫截面轉(zhuǎn)化為每個面的尺寸為1.1，1.4，1.70英寸。
根據(jù)shinanokenshicorp.(skc)的研究電機小型化，高密度轉(zhuǎn)矩和低噪音/振動是保證步進運動控制相關的改進辦法。skc提出在進行這些方面的改進時，應控制（降低）步進電機的價格。據(jù)稱，新的或重新設計的轉(zhuǎn)子和定子疊片已經(jīng)優(yōu)化了內(nèi)部空間和nema17和13步進系統(tǒng)的結(jié)構。
重新設計的步進系統(tǒng)的運行扭矩比前面的skc模型高出20%～30%，使用同樣的輸入功率和價格合算的永磁材料，rexbergsma，skc（u.s.）的董事長解釋說，改進是為轉(zhuǎn)子添加額外的永磁材料。由于總空間是固定的，需要移動某個定子的位置，即相繞阻的地方。疊片的重新設計也改進了skc新型的stp-430步進電機的轉(zhuǎn)子和定子的齒形。結(jié)果形成一個更強大，更集中的磁場，減少了噪聲（見圖）和“建立時間（阻尼），比前一種模型的速度快了近兩倍，”bergsma.說。
不僅是旋轉(zhuǎn)
除了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)步進電機，還存在線性步進電機系統(tǒng)。baldorelectric公司表示應用和設計工程師對這些線性運動產(chǎn)品越來越感興趣。它引用旋轉(zhuǎn)電機（伺服）的優(yōu)點，如減少零部件，幾乎沒有磨損或維修，并且易于結(jié)合機器使用。“線性步進電機是非常適合應用在輕負載的情況下，提供優(yōu)良的開環(huán)性能等，較高的加速度和比旋轉(zhuǎn)更高的速度，”baldor的產(chǎn)品經(jīng)理johnmazurkiewicz說。
baldor生產(chǎn)各種各樣的直線步進電機，包括單軸，雙軸(x，y軸)裝置，多軸龍門式，和客戶設計。該公司的nextmove系列可編程控制器提供適當輸出功率來運行線性和旋轉(zhuǎn)式步進電機（以及伺服電機）。實時運動控制器是最新的nextmove產(chǎn)品（如圖1）。
圖1
baldor電氣的實時運動控制器nextmovee100，可以為16個軸進行插值，并且最多可以管理連接到以太網(wǎng)Powerlink上的240個軸。這些軸處理簡單的點對點運動、引導序列、點動控制，以及與步進（伺服）運動系統(tǒng)相關的扭矩需求。
orientalmotor公司稱，新的步進電機和驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)是“一個提高性能參數(shù)和整合各部件的過程”。該過程由好幾個趨勢組成：
●高密度轉(zhuǎn)矩：通過使用更高的能源產(chǎn)品（強度）的釹鐵硼（nd-fe-b）稀土永磁材料定期重新設計，加上結(jié)構上的改變，如較大的轉(zhuǎn)子直徑，已經(jīng)提高了電機轉(zhuǎn)矩性能。獲益的om產(chǎn)品包括高轉(zhuǎn)矩的pv和pk-ht系列混合式步進電機（2相）和crk系列五相電機。
●改善步進角精度和傳動平穩(wěn)性：一種先進的微步進方法是通過控制電流來獲得更高的步進精度。例如，oriental的rk系列五相微動驅(qū)動器結(jié)合一種特殊的asic，專有軟件，和電流傳感器在很寬的速度范圍內(nèi)控制電流。電流傳感器和控制軟件還進一步保證了“平穩(wěn)驅(qū)動功能，”在操作時抑制了振動和噪聲，獨立于驅(qū)動器的輸入頻率，orientalmotorusa工程部經(jīng)理nickjohantgen解釋道。固有振動較低的五相步進電機和兩相步進電機是相反的，這樣也利于該情況。”平穩(wěn)傳動”的產(chǎn)品如pk和crk系統(tǒng)的五相步進控制。
●更多微型尺寸：“小型化是開環(huán)步進電機和其相關驅(qū)動器總的發(fā)展趨勢”，johantgen說，“便攜式醫(yī)療儀器和工業(yè)儀器在很多應用場合中需要使用較小的電機。”為了滿足這一要求，om已經(jīng)開發(fā)了8in和11incrk五相電機和11和14in（1.4in./35mm）pk兩相步進電機。新的緊湊型crk微步進驅(qū)動器尺寸僅為0.98×1.77×2.56in，并且在每一相位最大可控制1.4acrk電機。
系統(tǒng)和市場分析
orientalmoto的另一打算是將各種步進電機/驅(qū)動器部件組成一個系統(tǒng)解決方案。這包括安裝板，彈性聯(lián)軸器，減振器，控制器。“將各部件組成一個完整的系統(tǒng)是為了減少總成本”，johantgen補充說。它進一步增強和伺服運動的競爭力。
系統(tǒng)也為crk步進電機提供三種類型的齒輪頭。成本較低的滾銑齒輪有10-35弧度-分間隙（與齒輪齒數(shù)比有關）；行星齒輪具有廣泛的齒數(shù)比和3弧度-分間隙；諧波齒輪基本上消除了所有間隙。
步進運動市場的總體規(guī)模，包括商業(yè)和汽車行業(yè)是相當大的。據(jù)motiontechtrends(mtt)最新的市場研究，核心工業(yè)部門，工廠自動化（fa），代表了一個相對小的但是穩(wěn)固的市場,2006年在北美，步進電機和控制消費大約為156萬美元。fa市場包括機床，機器人系統(tǒng)，各種oem的生產(chǎn)機器（包括半導體設備、印刷、紡織、塑膠等）。據(jù)mtt粗略估計，歐洲和日本分別占步進電機市場的15%和50%，高于美國。
mtt分析師muhammadmubee的研究表明，兩種步進電機的設計主導fa應用（見“市場”圖表）。它們分別是大量生產(chǎn)的tin-can型（又名“can-stack”）和永磁步進電機。另外可變磁阻（vr）設計的步進電機已經(jīng)幾乎沒有了。
圖2[page]
除了由于更強的磁場帶來的高扭矩，shinanokenshi公司為新型步進電機重新設計的疊片機構也提供了低磁場振動和根據(jù)運轉(zhuǎn)頻率噪音降低3-6分貝。
“vr步進電機已幾乎沒有新的應用，尤其是與來自中國的低價混合步進電機相比”，mubeen說。vr電機只有在高溫情況下才使用，但性能并不高。mtt的研究表明，“（2001-2006年）北美市場的步進電機和控制”可以在motioninfo.com的產(chǎn)品信息中心里找到。
bergerlahr運動技術公司(施耐德電氣的一家公司)認為集成化，操作簡便，網(wǎng)絡化工作是步進電機的主要發(fā)展趨勢。減小驅(qū)動和電機尺寸有助于縮小控制柜和機器空間的需求，而系統(tǒng)設置，可以在不到一個小時內(nèi)通過設定dip和旋轉(zhuǎn)開關來完成，項目經(jīng)理sambandy解釋說。步進驅(qū)動無需調(diào)試軟件。“然而，一些帶有嵌入功能的步進系統(tǒng)需要配置帶有屏幕的軟件系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)輸入，”bandy說。
可進行網(wǎng)絡化工作的步進電機通過開環(huán)，現(xiàn)場總線，以太網(wǎng)等進行驅(qū)動，可多軸控制，與更高級別的控制器進行通信和系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。
與伺服系統(tǒng)相競爭
bandy指出，結(jié)合了驅(qū)動電機的步進系統(tǒng)和伺服運動的不同在于，它不需要調(diào)整。“它不需要專家對其進行調(diào)試而且減少了建立時間”，bandy說。步進系統(tǒng)的另一個優(yōu)點在于響應速度快。通過伺服技術，閉環(huán)pid控制，糾錯基于錯誤的內(nèi)容，這是預設動作和實際狀態(tài)的區(qū)別。“采用被動的滯后跟蹤法獲取參考位置在一些應用中，如印刷和貼標機中顯得太慢了，”bandy說。“在步進系統(tǒng)中沒有遲滯。主動響應不取決于實際狀態(tài),可以由控制獨立執(zhí)行”。
skc的bergsma認為步進運動系統(tǒng)和伺服運動系統(tǒng)的競爭在于電機的價格。“伺服電機仍不能和步進的價格相抗衡。由于步進電機的價格在不斷下降，而他們可能永遠也不會”。他說。此外，步進電機本身的產(chǎn)量高，從而降低了單位成本。”它們所提供的商業(yè)價值優(yōu)于伺服電機，”bergsma繼續(xù)說到。
他將“完整的操作系統(tǒng)”稱為需求，使用步進或伺服電機的數(shù)量是不多的。像這種使用一個或兩個電機的應用通常使用“黑匣子”驅(qū)動器/分度器控制器，有時會因功能過多而導致價格過高。相比之下，“現(xiàn)在的大部分電機都融入個性化和標準化的應用，這樣就需要大量的電機”，bergsma說。
大多數(shù)的運動都是靠步進系統(tǒng)驅(qū)動的。這些價格敏感的系統(tǒng)利用步進控制較低的生產(chǎn)成本，使用現(xiàn)有驅(qū)動芯片。“伺服驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)常用于oem設備中，但只是少量/中等數(shù)量，僅適用于閉環(huán)反饋和加速/減速，這些都是伺服可以做到的”，bergsma補充說。
重申主題
gefanuc控制系統(tǒng)業(yè)務總監(jiān)conniechick,再次重申步進系統(tǒng)只適用于精度不高，最終定位精度不太重要的運動系統(tǒng)。對于一些簡單的軸，例如：進刀量，導軌，和終點擋板等標定系統(tǒng)，步進系統(tǒng)可以很好的運行。“伺服電機速度高轉(zhuǎn)矩大。因此，步進系統(tǒng)在精度要求高和/或轉(zhuǎn)矩大的高速機器中是不適用的”。chick說。
gefanuc的發(fā)展重點放在微控制和智能步進電機。它引入了步進放大器，將其集成在機蓋上，通過一個簡單的網(wǎng)絡設備輸入命令。整個系統(tǒng)是由gefanuc的小型內(nèi)置式脈沖/方向輸出控制64位plc和motorcube智能步進電機組成，它并不占用面板的空間。打算使用于成本低的簡單標定場合中，該方法試圖將安裝一根運動軸的成本控制在2000美元以下。
“伺服控制仍在降價，但簡單的步進系統(tǒng)仍有一席之地”，chick.說。gefanuc是步進系統(tǒng)和高性能伺服系統(tǒng)的供應商。
portescap（danahermotion的子公司）同樣注意到了當”大小適宜該應用場合”時，步進系統(tǒng)無需反饋就可以定位的固有特性。這是與伺服電機競爭的又一優(yōu)勢。”開環(huán)控制，電機改進使步進系統(tǒng)的價格更加劃算，”產(chǎn)品經(jīng)理davebeckstoffer指出。
例如，portescap已經(jīng)充分地提高了它的最新成員h3系統(tǒng)混合步進電機的輸出扭矩。鋁殼的設計增強了散熱功效，因此，減慢電機溫升常常隨著時間的推移降低了扭矩。beckstoffer解釋說：“它同樣降低了耗電量，有利于步進電機系統(tǒng)整體對電力的需求。”
據(jù)報道，新的步進電機設計采用釹磁體優(yōu)化扭矩密度，同時又不增加部件大小。有些時候適用于可疊式步進電機，據(jù)beckstoffer說，用釹鐵硼稀土永磁材料優(yōu)化混合式步進電機扭矩密度還是一種較新的辦法。這些改進也有助于降低電機噪音和共振。”h3系列電機的軸承是由一個護圈和o型圈保護著，可以防止軸承滑動（運行過程中的軸向運動），這也是步進電機運行過程中的主要噪音來源，”beckstoffe補充說。大型軸承用在高的滑坡和有徑向負載的情況下，類似于標準混合步進電機。
圖3
根據(jù)motiontechtrends的研究，2006年，北美地區(qū)步進運動系統(tǒng)的增長可望達到3－4％。
圖4
portescap新的h3系列混合電機比同樣的標準型h3電機（競爭產(chǎn)品）多提供最多40％的額外扭矩。定子強化的磁鐵通過集中磁通路來增大扭矩，從而提高性能。
使用范圍
根據(jù)skc，在無需編碼器閉環(huán)反饋的應用中，例如，包裝，材料處理，裝配，以及高速或加速/減速要求不高的情況下，步進運動系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)是在平等的基礎競爭上的。“伺服系統(tǒng)在閉環(huán)應用下效果是最好的”，bergsma補充說。
線性步進系統(tǒng)和半導體及光纖制造，引線鍵合機，激光調(diào)阻機，晶圓探針測試儀器，醫(yī)療設備，以及其他應用都有強有力的競爭，baldor說。相比其它選擇，線性步進系統(tǒng)常常因為他們很少需要維修而贏得贊揚。
“在軸間緊密配合不重要的可控環(huán)境下，任何點對點的應用，都是低成本解決方案極好的選擇”，parker的feyh補充說。他列舉了生命科學、醫(yī)療器械系統(tǒng)和其他臺式設備中無數(shù)這樣的應用。
mtt引用了很多用于fa的tin-can步進電機的例子，如選放機器、傳送帶、和小型物料處理/包裝機器。
portesca認為，紡織工業(yè)、電子裝配、線性載物臺、醫(yī)療分析儀技術中喜歡選用步進電機。許多步進電機也常常用于更大尺寸、更強動力汽車傳動系統(tǒng)中。
pergerlahr/schneiderelectric提到步進系統(tǒng)的應用目標包括那些低維修和需要低成本解決方案的oem系統(tǒng)。因為無需太高技能就可以調(diào)試步進系統(tǒng)，機器出口商也更喜歡步進系統(tǒng)而非伺服系統(tǒng)。
總之，基于步進的運動系統(tǒng)仍活躍于市場。整個動力行業(yè)的改進仍在不斷提高，但是在各種大小的步進系統(tǒng)中，集成化和低功率仍是人們最關注的問題。
