步进运动控制技术纵览

对于某些低功率应用，内在控制简单，微电机及驱动器、高密度转矩步进系统构成了伺服电机可行的选择。

步进是唯一可以在开环情况下运行，而不需位置反馈的运动控制方法。这使得步进电机系统比伺服运动系统简单得多，成本较低也增添了步进电机的吸引力。再加上其它不断改进设计，如硬件小型化和高密度力矩，使得步进系统在很多要求较低速度和定位精度运动应用中保持着较强的竞争力。
　　
基于步进的运动系统可以达到0.75千瓦（1马力）的功率，但对大多数应用来说，都是在较低输出功率中运行的。大批厂商关注于这个市场。
体积和功能问题
　　
Parker Hannifin公司认为体积小和操作简单是步进系统显著的优点，价格便宜是步进系统与伺服运动竞争的又一优势。“步进系统在不增加任何费用的情况下可以做的非常小，”产品经理Marc Feyh说，“是有一些迷你伺服系统，但它们并不那么小，价格还更贵，且更多部件又需要加以微型化。”开环运行简单是它的第二个优点。然而，在价格/性能的基础上竞争变得越来越困难了。
　　
以“合理的价格”继续改进尺寸并保持性能。Parker指出这种趋势和昂贵的高端步进系统是有所区别的，它不能和低价伺服系统相竞争。为了满足尺寸和成本要求，Parke的机电自动化部门正在引入步进驱动/控制器,它是一个微型步进单元，提供了可编程序控制器及集成输入/输出端口。
　　
手掌大小的预装件（1.1 × 1.5 × 4英寸）安装在Parker的Promech系列线性驱动器上，构成了微型步进运动系统。Park旋转步进幅度降至NEMA，11，14和17，分别在方形电机的横截面转化为每个面的尺寸为1.1，1.4，1.70英寸。
　　
根据Shinano Kenshi Corp. （SKC），的研究电机小型化，高密度转矩和低噪音/振动是保证步进运动控制相关的改进办法。SKC提出在进行这些方面的改进时，应控制（降低）步进电机的价格。据称，新的或重新设计的转子和定子叠片已经优化了内部空间和NEMA17和13步进系统的结构。
　　
重新设计的步进系统的运行扭矩比前面的SKC模型高出20%-30%，使用同样的输入功率和价格合算的永磁材料，Rex Bergsma，SKC（U.S.）的董事长解释说，改进是为转子添加额外的永磁材料。由于总空间是固定的，需要移动某个定子的位置，即相绕阻的地方。叠片的重新设计也改进了SKC新型的STP-430步进电机的转子和定子的齿形。结果形成一个更强大，更集中的磁场，减少了噪声（见图）和”建立时间（阻尼），比前一种模型的速度快了近两倍，” Bergsma.说。

不仅是旋转
　　
除了传统的旋转步进电机，还存在线性步进电机系统。Baldor Electric公司表示应用和设计工程师对这些线性运动产品越来越感兴趣。它引用旋转电机（伺服）的优点，如减少零部件，几乎没有磨损或维修，并且易于结合机器使用。“线性步进电机是非常适合应用在轻负载的情况下，提供优良的开环性能等, 较高的加速度和比旋转更高的速度，”Baldor的产品经理John Mazurkiewicz说。
　　
Baldor生产各种各样的直线步进电机，包括单轴，双轴（ X，Y轴）装置，多轴龙门式，和客户设计。 该公司的NextMove系列可编程控制器提供适当输出功率来运行线性和旋转式步进电机（以及伺服电机）。实时运动控制器是最新的NextMove产品（见照片）。
　　
Oriental Motor公司称，新的步进电机和驱动系统的开发是“一个提高性能参数和整合各部件的过程”。该过程由好几个趋势组成：
　　
■ 高密度转矩：通过使用更高的能源产品（强度）的钕铁硼（Nd-Fe-B）稀土永磁材料定期重新设计，加上结构上的改变，如较大的转子直径，已经提高了电机转矩性能。获益的OM产品包括高转矩的PV和PK-HT系列混合式步进电机（2相）和CRK系列，五相电机。
　　
■ 改善步进角精度和传动平稳性：一种先进的微步进方法是通过控制电流来获得更高的步进精度。例如，Oriental的RK系列，五相微动驱动器结合一种特殊的ASIC，专有软件，和电流传感器在很宽的速度范围内控制电流。电流传感器和控制软件还进一步保证了“平稳驱动功能，”在操作时抑制了振动和噪声，独立于驱动器的输入频率，Oriental Motor USA工程部经理Nick Johantgen解释道。固有振动较低的五相步进电机和两相步进电机是相反的，这样也利于该情况。”平稳传动”的产品如PK和CRK系统的五相步进控制。
　　
■ 更多微型尺寸：“小型化是开环步进电机和其相关驱动器总的发展趋势”，Johantgen说，“便携式医疗仪器和工业仪器在很多应用场合中需要使用较小的电机。”为了满足这一要求，OM已经开发了8in和11in CRK五相电机和11和14in（1.4 in./35 mm）PK两相步进电机。新的紧凑型CRK微步进驱动器尺寸仅为0.98 x 1.77 x 2.56 in，并且在每一相位最大可控制1.4A CRK电机。

系统和市场分析
　　
Oriental Moto的另一打算是将各种步进电机/驱动器部件组成一个系统解决方案。这包括安装板，弹性联轴器，减振器，控制器。“将各部件组成一个完整的系统是为了减少总成本”，Johantgen补充说。它进一步增强和伺服运动的竞争力。
　　
系统也为CRK步进电机提供三种类型的齿轮头。成本较低的滚铣齿轮有10-35弧度-分间隙（与齿轮齿数比有关）；行星齿轮具有广泛的齿数比和3弧度-分间隙；谐波齿轮基本上消除了所有间隙。
　　
步进运动市场的总体规模，包括商业和汽车行业是相当大的。据Motion Tech Trends （MTT）最新的市场研究，核心工业部门，工厂自动化（FA），代表了一个相对小的但是稳固的市场, 2006年在北美，步进电机和控制消费大约为156万美元。FA市场包括机床，机器人系统，各种OEM的生产机器（包括半导体设备，印刷，纺织，塑胶等）。据MTT粗略估计，欧洲和日本分别占步进电机市场的15%和50%，高于美国。
　　
MTT分析师Muhammad Mubee的研究表明，两种步进电机的设计主导FA应用（见“市场”图表）。它们分别是大量生产的tin-can型（又名“can-stack”）和永磁步进电机。 另外可变磁阻（VR）设计的步进电机已经几乎没有了。
　　
“VR步进电机已几乎没有新的应用，尤其是与来自中国的低价混合步进电机相比”Mubeen说。VR电机只有在高温情况下才使用，但性能并不高。MTT的研究表明，“（2001-2006年）北美市场的步进电机和控制”可以在MotionInfo.com的产品信息中心里找到。
　　
Berger Lahr运动技术公司 （施耐德电气的一家公司）认为集成化，操作简便，网络化工作是步进电机的主要发展趋势。减小驱动和电机尺寸有助于缩小控制柜和机器空间的需求，而系统设置，可以在不到一个小时内通过设定DIP和旋转开关来完成，项目经理Sam Bandy解释说。步进驱动无需调试软件。“然而，一些带有嵌入功能的步进系统需要配置带有屏幕的软件系统用于数据输入，” Bandy说。
　　
可进行网络化工作的步进电机通过开环，现场总线，以太网等进行驱动，可多轴控制，与更高级别的控制器进行通信和系统状态数据采集。
与伺服系统相竞争
　　
Bandy指出，结合了驱动电机的步进系统和伺服运动的不同在于，它不需要调整。“它不需要专家对其进行调试而且减少了建立时间”，Bandy说。步进系统的另一个优点在于响应速度快。通过伺服技术，闭环PID控制，纠错基于错误的内容，这是预设动作和实际状态的区别。“采用被动的滞后跟踪法获取参考位置在一些应用中，如印刷和贴标机中显得太慢了，”Bandy 说。“在步进系统中没有迟滞。主动响应不取决于实际状态,可以由控制独立执行”。
　　
SKC的Bergsma认为步进运动系统和伺服运动系统的竞争在于电机的价格。“伺服电机仍不能和步进的价格相抗衡。由于步进电机的价格在不断下降，而他们可能永远也不会”。他说。此外，步进电机本身的产量高，从而降低了单位成本。”它们所提供的商业价值优于伺服电机，” Bergsma继续说到。
　　
他将“完整的操作系统”称为需求，使用步进或伺服电机的数量是不多的。像这种使用一个或两个电机的应用通常使用“黑匣子”驱动器/分度器控制器，有时会因功能过多而导致价格过高。相比之下，“现在的大部分电机都融入个性化和标准化的应用，这样就需要大量的电机”，Bergsma说。
　　
大多数的运动都是靠步进系统驱动的。这些价格敏感的系统利用步进控制较低的生产成本，使用现有驱动芯片。“伺服驱动系统经常用于OEM设备中，但只是少量/中等数量，仅适用于闭环反馈和加速/减速，这些都是伺服可以做到的”，Bergsma补充说。

重申主题
　　
GE Fanuc控制系统业务总监Connie Chick, 再次重申步进系统只适用于精度不高，最终定位精度不太重要的运动系统。对于一些简单的轴，例如：进刀量，导轨，和终点挡板等标定系统，步进系统可以很好的运行。“伺服电机速度高转矩大。因此，步进系统在精度要求高和/或转矩大的高速机器中是不适用的”。Chick说。
　　
GE Fanuc的发展重点放在微控制和智能步进电机。它引入了步进放大器，将其集成在机盖上，通过一个简单的网络设备输入命令。整个系统是由GE Fanuc的小型内置式脉冲/方向输出控制64位PLC和MotorCube智能步进电机组成，它并不占用面板的空间。打算使用于成本低的简单标定场合中，该方法试图将安装一根运动轴的成本控制在2000美元以下。
　　
“伺服控制仍在降价，但简单的步进系统仍有一席之地”，Chick.说。GE Fanuc 是步进系统和高性能伺服系统的供应商。
　　
Portescap（Danaher Motion的子公司）同样注意到了当”大小适宜该应用场合”时，步进系统无需反馈就可以定位的固有特性。这是与伺服电机竞争的又一优势。”开环控制，电机改进使步进系统的价格更加划算，”产品经理 Dave Beckstoffer指出。
　　
例如，Portescap已经充分地提高了它的最新成员h3系统混合步进电机的输出扭矩。铝壳的设计增强了散热功效，因此，减慢电机温升常常随着时间的推移降低了扭矩。Beckstoffer解释说：”它同样降低了耗电量，有利于步进电机系统整体对电力的需求。”
　　
据报道，新的步进电机设计采用钕磁体优化扭矩密度，同时又不增加部件大小。有些时候适用于可叠式步进电机，据Beckstoffer说，用钕铁硼稀土永磁材料优化混合式步进电机扭矩密度还是一种较新的办法。这些改进也有助于降低电机噪音和共振。”h3系列电机的轴承是由一个护圈和O型圈保护着，可以防止轴承滑动（运行过程中的轴向运动），这也是步进电机运行过程中的主要噪音来源，”Beckstoffe补充说。大型轴承用在高的滑坡和有径向负载的情况下，类似于标准混合步进电机。


根据 Motion Tech Trends的研究，2006年，北美地区步进运动系统的增长可望达到3－4％。


Portescap新的h3系列混合电机比同样的标准型h3电机（竞争产品）多提供最多40％的额外扭矩。
定子强化的磁铁通过集中磁通路来增大扭矩，从而提高性能。

使用范围
　　
根据SKC，在无需编码器闭环反馈的应用中，例如，包装，材料处理，装配，以及高速或加速/减速要求不高的情况下，步进运动系统和伺服系统是在平等的基础竞争上的。“伺服系统在闭环应用下效果是最好的”，Bergsma补充说。
　　
线性步进系统和半导体及光纤制造，引线键合机，激光调阻机，晶圆探针测试仪器，医疗设备， 以及其他应用都有强有力的竞争，Baldor说。相比其它选择，线性步进系统常常因为他们很少需要维修而赢得赞扬。
　　
“在轴间紧密配合不重要的可控环境下，任何点对点的应用，都是低成本解决方案极好的选择”，Parker的Feyh补充说。他列举了生命科学、医疗器械系统和其他台式设备中无数这样的应用。
　　
MTT引用了很多用于FA的tin-can步进电机的例子，如选放机器、传送带、和小型物料处理/包装机器。
　　
Portesca认为，纺织工业、电子装配、线性载物台、医疗分析仪技术中喜欢选用步进电机。许多步进电机也常常用于更大尺寸、更强动力汽车传动系统中。
　　
Berger Lahr/Schneider Electric提到步进系统的应用目标包括那些低维修和需要低成本解决方案的OEM系统。因为无需太高技能就可以调试步进系统，机器出口商也更喜欢步进系统而非伺服系统。
　　
总之，基于步进的运动系统仍活跃于市场。整个动力行业的改进仍在不断提高，但是在各种大小的步进系统中，集成化和低功率仍是人们最关注的问题。