- 步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制體積和功能問題
- 步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和市場分析
- 步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)
步進(jìn)是唯一可以在開環(huán)情況下運(yùn)行，而不需位置反饋的運(yùn)動(dòng)控制方法。這使得步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)比伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)簡單得多，成本較低也增添了步進(jìn)電機(jī)的吸引力。再加上其它不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，如硬件小型化和高密度力矩，使得步進(jìn)系統(tǒng)在很多要求較低速度和定位精度運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中保持著較強(qiáng)的競爭力。
基于步進(jìn)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以達(dá)到0.75kw的功率，但對大多數(shù)應(yīng)用來說，都是在較低輸出功率中運(yùn)行的。大批廠商關(guān)注于這個(gè)市場。
體積和功能問題
parkerhannifin公司認(rèn)為體積小和操作簡單是步進(jìn)系統(tǒng)顯著的優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格便宜是步進(jìn)系統(tǒng)與伺服運(yùn)動(dòng)競爭的又一優(yōu)勢。“步進(jìn)系統(tǒng)在不增加任何費(fèi)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(jià)格還更貴，且更多部件又需要加以微型化。”開環(huán)運(yùn)行簡單是它的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。然而，在價(jià)格/性能的基礎(chǔ)上競爭變得越來越困難了。
以“合理的價(jià)格”繼續(xù)改進(jìn)尺寸并保持性能。parker指出這種趨勢和昂貴的高端步進(jìn)系統(tǒng)是有所區(qū)別的，它不能和低價(jià)伺服系統(tǒng)相競爭。為了滿足尺寸和成本要求，parke的機(jī)電自動(dòng)化部門正在引入步進(jìn)驅(qū)動(dòng)/控制器,它是一個(gè)微型步進(jìn)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(yù)裝件（1.1×1.5×4英寸）安裝在parker的promech系列線性驅(qū)動(dòng)器上，構(gòu)成了微型步進(jìn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。park旋轉(zhuǎn)步進(jìn)幅度降至nema，11，14和17，分別在方形電機(jī)的橫截面轉(zhuǎn)化為每個(gè)面的尺寸為1.1，1.4，1.70英寸。
根據(jù)shinanokenshicorp.(skc)的研究電機(jī)小型化，高密度轉(zhuǎn)矩和低噪音/振動(dòng)是保證步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的改進(jìn)辦法。skc提出在進(jìn)行這些方面的改進(jìn)時(shí)，應(yīng)控制（降低）步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格。據(jù)稱，新的或重新設(shè)計(jì)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(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
重新設(shè)計(jì)的步進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)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(jià)格合算的永磁材料，rexbergsma，skc（u.s.）的董事長解釋說，改進(jìn)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(dòng)某個(gè)定子的位置，即相繞阻的地方。疊片的重新設(shè)計(jì)也改進(jìn)了skc新型的stp-430步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的齒形。結(jié)果形成一個(gè)更強(qiáng)大，更集中的磁場，減少了噪聲（見圖）和“建立時(shí)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(jìn)電機(jī)，還存在線性步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。baldorelectric公司表示應(yīng)用和設(shè)計(jì)工程師對這些線性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品越來越感興趣。它引用旋轉(zhuǎn)電機(jī)（伺服）的優(yōu)點(diǎn)，如減少零部件，幾乎沒有磨損或維修，并且易于結(jié)合機(jī)器使用。“線性步進(jìn)電機(jī)是非常適合應(yīng)用在輕負(fù)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(jìn)電機(jī)，包括單軸，雙軸(x，y軸)裝置，多軸龍門式，和客戶設(shè)計(jì)。該公司的nextmove系列可編程控制器提供適當(dāng)輸出功率來運(yùn)行線性和旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)（以及伺服電機(jī)）。實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器是最新的nextmove產(chǎn)品（如圖1）。
圖1
baldor電氣的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器nextmovee100，可以為16個(gè)軸進(jìn)行插值，并且最多可以管理連接到以太網(wǎng)Powerlink上的240個(gè)軸。這些軸處理簡單的點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、引導(dǎo)序列、點(diǎn)動(dòng)控制，以及與步進(jìn)（伺服）運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的扭矩需求。
orientalmotor公司稱，新的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)是“一個(gè)提高性能參數(shù)和整合各部件的過程”。該過程由好幾個(gè)趨勢組成：
●高密度轉(zhuǎn)矩：通過使用更高的能源產(chǎn)品（強(qiáng)度）的釹鐵硼（nd-fe-b）稀土永磁材料定期重新設(shè)計(jì)，加上結(jié)構(gòu)上的改變，如較大的轉(zhuǎn)子直徑，已經(jīng)提高了電機(jī)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(jìn)電機(jī)（2相）和crk系列五相電機(jī)。
●改善步進(jìn)角精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性：一種先進(jìn)的微步進(jìn)方法是通過控制電流來獲得更高的步進(jìn)精度。例如，oriental的rk系列五相微動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(jìn)一步保證了“平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)功能，”在操作時(shí)抑制了振動(dòng)和噪聲，獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)器的輸入頻率，orientalmotorusa工程部經(jīng)理nickjohantgen解釋道。固有振動(dòng)較低的五相步進(jìn)電機(jī)和兩相步進(jìn)電機(jī)是相反的，這樣也利于該情況。”平穩(wěn)傳動(dòng)”的產(chǎn)品如pk和crk系統(tǒng)的五相步進(jìn)控制。
●更多微型尺寸：“小型化是開環(huán)步進(jìn)電機(jī)和其相關(guān)驅(qū)動(dòng)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(yīng)用場合中需要使用較小的電機(jī)。”為了滿足這一要求，om已經(jīng)開發(fā)了8in和11incrk五相電機(jī)和11和14in（1.4in./35mm）pk兩相步進(jìn)電機(jī)。新的緊湊型crk微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)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(jī)。
系統(tǒng)和市場分析
orientalmoto的另一打算是將各種步進(jìn)電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器部件組成一個(gè)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(gè)完整的系統(tǒng)是為了減少總成本”，johantgen補(bǔ)充說。它進(jìn)一步增強(qiáng)和伺服運(yùn)動(dòng)的競爭力。
系統(tǒng)也為crk步進(jìn)電機(jī)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(guān)）；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(jìn)運(yùn)動(dòng)市場的總體規(guī)模，包括商業(yè)和汽車行業(yè)是相當(dāng)大的。據(jù)motiontechtrends(mtt)最新的市場研究，核心工業(yè)部門，工廠自動(dòng)化（fa），代表了一個(gè)相對小的但是穩(wěn)固的市場,2006年在北美，步進(jìn)電機(jī)和控制消費(fèi)大約為156萬美元。fa市場包括機(jī)床，機(jī)器人系統(tǒng)，各種oem的生產(chǎn)機(jī)器（包括半導(dǎo)體設(shè)備、印刷、紡織、塑膠等）。據(jù)mtt粗略估計(jì)，歐洲和日本分別占步進(jìn)電機(jī)市場的15%和50%，高于美國。
mtt分析師muhammadmubee的研究表明，兩種步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)主導(dǎo)fa應(yīng)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(jìn)電機(jī)。另外可變磁阻（vr）設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)幾乎沒有了。
圖2[page]
除了由于更強(qiáng)的磁場帶來的高扭矩，shinanokenshi公司為新型步進(jìn)電機(jī)重新設(shè)計(jì)的疊片機(jī)構(gòu)也提供了低磁場振動(dòng)和根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率噪音降低3-6分貝。
“vr步進(jìn)電機(jī)已幾乎沒有新的應(yīng)用，尤其是與來自中國的低價(jià)混合步進(jìn)電機(jī)相比”，mubeen說。vr電機(jī)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(jìn)電機(jī)和控制”可以在motioninfo.com的產(chǎn)品信息中心里找到。
bergerlahr運(yùn)動(dòng)技術(shù)公司(施耐德電氣的一家公司)認(rèn)為集成化，操作簡便，網(wǎng)絡(luò)化工作是步進(jìn)電機(jī)的主要發(fā)展趨勢。減小驅(qū)動(dòng)和電機(jī)尺寸有助于縮小控制柜和機(jī)器空間的需求，而系統(tǒng)設(shè)置，可以在不到一個(gè)小時(shí)內(nèi)通過設(shè)定dip和旋轉(zhuǎn)開關(guān)來完成，項(xiàng)目經(jīng)理sambandy解釋說。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)無需調(diào)試軟件。“然而，一些帶有嵌入功能的步進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化工作的步進(jìn)電機(jī)通過開環(huán)，現(xiàn)場總線，以太網(wǎng)等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可多軸控制，與更高級別的控制器進(jìn)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(dòng)電機(jī)的步進(jìn)系統(tǒng)和伺服運(yùn)動(dòng)的不同在于，它不需要調(diào)整。“它不需要專家對其進(jìn)行調(diào)試而且減少了建立時(shí)間”，bandy說。步進(jìn)系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)速度快。通過伺服技術(shù)，閉環(huán)pid控制，糾錯(cuò)基于錯(cuò)誤的內(nèi)容，這是預(yù)設(shè)動(dòng)作和實(shí)際狀態(tài)的區(qū)別。“采用被動(dòng)的滯后跟蹤法獲取參考位置在一些應(yīng)用中，如印刷和貼標(biāo)機(jī)中顯得太慢了，”bandy說。“在步進(jìn)系統(tǒng)中沒有遲滯。主動(dòng)響應(yīng)不取決于實(shí)際狀態(tài),可以由控制獨(dú)立執(zhí)行”。
skc的bergsma認(rèn)為步進(jìn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的競爭在于電機(jī)的價(jià)格。“伺服電機(jī)仍不能和步進(jìn)的價(jià)格相抗衡。由于步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格在不斷下降，而他們可能永遠(yuǎn)也不會”。他說。此外，步進(jìn)電機(jī)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(jià)值優(yōu)于伺服電機(jī)，”bergsma繼續(xù)說到。
他將“完整的操作系統(tǒng)”稱為需求，使用步進(jìn)或伺服電機(jī)的數(shù)量是不多的。像這種使用一個(gè)或兩個(gè)電機(jī)的應(yīng)用通常使用“黑匣子”驅(qū)動(dòng)器/分度器控制器，有時(shí)會因功能過多而導(dǎo)致價(jià)格過高。相比之下，“現(xiàn)在的大部分電機(jī)都融入個(gè)性化和標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用，這樣就需要大量的電機(jī)”，bergsma說。
大多數(shù)的運(yùn)動(dòng)都是靠步進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的。這些價(jià)格敏感的系統(tǒng)利用步進(jìn)控制較低的生產(chǎn)成本，使用現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)芯片。“伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常用于oem設(shè)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(bǔ)充說。
重申主題
gefanuc控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)總監(jiān)conniechick,再次重申步進(jìn)系統(tǒng)只適用于精度不高，最終定位精度不太重要的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。對于一些簡單的軸，例如：進(jìn)刀量，導(dǎo)軌，和終點(diǎn)擋板等標(biāo)定系統(tǒng)，步進(jìn)系統(tǒng)可以很好的運(yùn)行。“伺服電機(jī)速度高轉(zhuǎn)矩大。因此，步進(jìn)系統(tǒng)在精度要求高和/或轉(zhuǎn)矩大的高速機(jī)器中是不適用的”。chick說。
gefanuc的發(fā)展重點(diǎn)放在微控制和智能步進(jìn)電機(jī)。它引入了步進(jìn)放大器，將其集成在機(jī)蓋上，通過一個(gè)簡單的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備輸入命令。整個(gè)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(jìn)電機(jī)組成，它并不占用面板的空間。打算使用于成本低的簡單標(biāo)定場合中，該方法試圖將安裝一根運(yùn)動(dòng)軸的成本控制在2000美元以下。
“伺服控制仍在降價(jià)，但簡單的步進(jìn)系統(tǒng)仍有一席之地”，chick.說。gefanuc是步進(jìn)系統(tǒng)和高性能伺服系統(tǒng)的供應(yīng)商。
portescap（danahermotion的子公司）同樣注意到了當(dāng)”大小適宜該應(yīng)用場合”時(shí)，步進(jìn)系統(tǒng)無需反饋就可以定位的固有特性。這是與伺服電機(jī)競爭的又一優(yōu)勢。”開環(huán)控制，電機(jī)改進(jìn)使步進(jìn)系統(tǒng)的價(jià)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(jìn)電機(jī)的輸出扭矩。鋁殼的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了散熱功效，因此，減慢電機(jī)溫升常常隨著時(shí)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(jìn)電機(jī)系統(tǒng)整體對電力的需求。”
據(jù)報(bào)道，新的步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)采用釹磁體優(yōu)化扭矩密度，同時(shí)又不增加部件大小。有些時(shí)候適用于可疊式步進(jìn)電機(jī)，據(jù)beckstoffer說，用釹鐵硼稀土永磁材料優(yōu)化混合式步進(jìn)電機(jī)扭矩密度還是一種較新的辦法。這些改進(jìn)也有助于降低電機(jī)噪音和共振。”h3系列電機(jī)的軸承是由一個(gè)護(hù)圈和o型圈保護(hù)著，可以防止軸承滑動(dòng)（運(yùn)行過程中的軸向運(yùn)動(dòng)），這也是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中的主要噪音來源，”beckstoffe補(bǔ)充說。大型軸承用在高的滑坡和有徑向負(fù)載的情況下，類似于標(biāo)準(zhǔn)混合步進(jìn)電機(jī)。
圖3
根據(jù)motiontechtrends的研究，2006年，北美地區(qū)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的增長可望達(dá)到3－4％。
圖4
portescap新的h3系列混合電機(jī)比同樣的標(biāo)準(zhǔn)型h3電機(jī)（競爭產(chǎn)品）多提供最多40％的額外扭矩。定子強(qiáng)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(yīng)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(jìn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)是在平等的基礎(chǔ)競爭上的。“伺服系統(tǒng)在閉環(huán)應(yīng)用下效果是最好的”，bergsma補(bǔ)充說。
線性步進(jìn)系統(tǒng)和半導(dǎo)體及光纖制造，引線鍵合機(jī)，激光調(diào)阻機(jī)，晶圓探針測試儀器，醫(yī)療設(shè)備，以及其他應(yīng)用都有強(qiáng)有力的競爭，baldor說。相比其它選擇，線性步進(jìn)系統(tǒng)常常因?yàn)樗麄兒苌傩枰S修而贏得贊揚(yáng)。
“在軸間緊密配合不重要的可控環(huán)境下，任何點(diǎn)對點(diǎn)的應(yīng)用，都是低成本解決方案極好的選擇”，parker的feyh補(bǔ)充說。他列舉了生命科學(xué)、醫(yī)療器械系統(tǒng)和其他臺式設(shè)備中無數(shù)這樣的應(yīng)用。
mtt引用了很多用于fa的tin-can步進(jìn)電機(jī)的例子，如選放機(jī)器、傳送帶、和小型物料處理/包裝機(jī)器。
portesca認(rèn)為，紡織工業(yè)、電子裝配、線性載物臺、醫(yī)療分析儀技術(shù)中喜歡選用步進(jìn)電機(jī)。許多步進(jìn)電機(jī)也常常用于更大尺寸、更強(qiáng)動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中。
pergerlahr/schneiderelectric提到步進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)包括那些低維修和需要低成本解決方案的oem系統(tǒng)。因?yàn)闊o需太高技能就可以調(diào)試步進(jìn)系統(tǒng)，機(jī)器出口商也更喜歡步進(jìn)系統(tǒng)而非伺服系統(tǒng)。
總之，基于步進(jìn)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仍活躍于市場。整個(gè)動(dòng)力行業(yè)的改進(jìn)仍在不斷提高，但是在各種大小的步進(jìn)系統(tǒng)中，集成化和低功率仍是人們最關(guān)注的問題。
