- 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(gòu)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(gòu)。
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(gòu)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(gòu)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。
