| 對于某些低功率應(yīng)用，內(nèi)在控制簡單，微電機(jī)及驅(qū)動器、高密度轉(zhuǎn)矩步進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成了伺服電機(jī)可行的選擇。 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)動控制方法。這使得步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)比伺服運(yùn)動系統(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，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)動應(yīng)用中保持著較強(qiáng)的競爭力。
基于步進(jìn)的運(yùn)動系統(tǒng)可以達(dá)到0.75千瓦（1馬力）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)注于這個市場。
Baldor電氣的實時運(yùn)動控制器NextMove e100，可以為16個軸進(jìn)行插值，并且最多可以管理連接到以太網(wǎng)Powerlink上的240個軸。這些軸處理簡單的點對點運(yùn)動、引導(dǎo)序列、點動控制，以及與步進(jìn)（伺服）運(yùn)動系統(tǒng)相關(guān)的扭矩需求。 體積和功能問題
Parker Hannifin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，價格便宜是步進(jìn)系統(tǒng)與伺服運(yùn)動競爭的又一優(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Marc Feyh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(yùn)行簡單是它的第二個優(yōu)點。然而，在價格/性能的基礎(chǔ)上競爭變得越來越困難了。
以“合理的價格”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)電自動化部門正在引入步進(jìn)驅(qū)動/控制器,它是一個微型步進(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)動器上，構(gòu)成了微型步進(jìn)運(yùn)動系統(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)化為每個面的尺寸為1.1，1.4，1.70英寸。
根據(jù)Shinano Kenshi Corp. (SKC)，的研究電機(jī)小型化，高密度轉(zhuǎn)矩和低噪音/振動是保證步進(jìn)運(yùn)動控制相關(guān)的改進(jìn)辦法。SKC提出在進(jìn)行這些方面的改進(jìn)時，應(yīng)控制（降低）步進(jìn)電機(jī)的價格。據(jù)稱，新的或重新設(shè)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(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
重新設(shè)計的步進(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格合算的永磁材料，Rex Bergsma，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，需要移動某個定子的位置，即相繞阻的地方。疊片的重新設(shè)計也改進(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)果形成一個更強(qiáng)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(jìn)電機(jī)，還存在線性步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。Baldor Electric公司表示應(yīng)用和設(shè)計工程師對這些線性運(yùn)動產(chǎn)品越來越感興趣。它引用旋轉(zhuǎn)電機(jī)（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(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John Mazurkiewicz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。 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)）。實時運(yùn)動控制器是最新的NextMove產(chǎn)品（見照片）。
Oriental Motor公司稱，新的步進(jìn)電機(jī)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(qiáng)度）的釹鐵硼（Nd-Fe-B）稀土永磁材料定期重新設(shè)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(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(jìn)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，Oriental Motor USA工程部經(jīng)理Nick Johantgen解釋道。固有振動較低的五相步進(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”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11in CRK五相電機(jī)和11和14in（1.4 in./35 mm）PK兩相步進(jìn)電機(jī)。新的緊湊型CRK微步進(jìn)驅(qū)動器尺寸僅為0.98 x 1.77 x 2.56 in，并且在每一相位最大可控制1.4A CRK電機(jī)。 系統(tǒng)和市場分析
Oriental Moto的另一打算是將各種步進(jìn)電機(jī)/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(bǔ)充說。它進(jìn)一步增強(qiáng)和伺服運(yùn)動的競爭力。
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)Motion Tech Trend
s (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(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，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Muhammad Mubee的研究表明，兩種步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計主導(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)計的步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)幾乎沒有了。
“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。
Berger Lahr運(yùn)動技術(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，可以在不到一個小時內(nèi)通過設(shè)定DIP和旋轉(zhuǎn)開關(guān)來完成，項目經(jīng)理Sam Bandy解釋說。步進(jìn)驅(qū)動無需調(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，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。
除了由于更強(qiáng)的磁場帶來的高扭矩，Shinano Kenshi 公司為新型步進(jìn)電機(jī)重新設(shè)計的疊片機(jī)構(gòu)也提供了低磁場振動和根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率噪音降低3-6分貝。 與伺服系統(tǒng)相競爭
Bandy指出，結(jié)合了驅(qū)動電機(jī)的步進(jìn)系統(tǒng)和伺服運(yùn)動的不同在于，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間”，Bandy說。步進(jìn)系統(tǒng)的另一個優(yōu)點在于響應(yīng)速度快。通過伺服技術(shù)，閉環(huán)PID控制，糾錯基于錯誤的內(nèi)容，這是預(yù)設(shè)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(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。主動響應(yīng)不取決于實際狀態(tài),可以由控制獨立執(zhí)行”。
SKC的Bergsma認(rèn)為步進(jìn)運(yùn)動系統(tǒng)和伺服運(yùn)動系統(tǒng)的競爭在于電機(jī)的價格。“伺服電機(jī)仍不能和步進(jìn)的價格相抗衡。由于步進(jìn)電機(jī)的價格在不斷下降，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。像這種使用一個或兩個電機(jī)的應(yīng)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(dǎo)致價格過高。相比之下，“現(xiàn)在的大部分電機(jī)都融入個性化和標(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)動都是靠步進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動的。這些價格敏感的系統(tǒng)利用步進(jìn)控制較低的生產(chǎn)成本，使用現(xiàn)有驅(qū)動芯片。“伺服驅(qū)動系統(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
GE Fanuc控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)總監(jiān)Connie Chick, 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)動系統(tǒng)。對于一些簡單的軸，例如：進(jìn)刀量，導(dǎo)軌，和終點擋板等標(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。
GE Fanuc的發(fā)展重點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，通過一個簡單的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備輸入命令。整個系統(tǒng)是由GE Fanuc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(jìn)系統(tǒng)仍有一席之地”，Chick.說。GE Fanuc 是步進(jìn)系統(tǒng)和高性能伺服系統(tǒng)的供應(yīng)商。
Portescap（Danaher Motion的子公司）同樣注意到了當(dāng)”大小適宜該應(yīng)用場合”時，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)的價格更加劃算，”產(chǎn)品經(jīng)理 Dave Beckstoffer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)計增強(qiáng)了散熱功效，因此，減慢電機(jī)溫升常常隨著時間的推移降低了扭矩。Beckstoffe r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)報道，新的步進(jìn)電機(jī)設(shè)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(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)的軸承是由一個護(hù)圈和O型圈保護(hù)著，可以防止軸承滑動（運(yùn)行過程中的軸向運(yùn)動），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)。
根據(jù) Motion Tech Trends的研究，2006年，北美地區(qū)步進(jìn)運(yùn)動系統(tǒng)的增長可望達(dá)到3－4％。
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)常常因為他們很少需要維修而贏得贊揚(yáng)。
“在軸間緊密配合不重要的可控環(huán)境下，任何點對點的應(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)動力汽車傳動系統(tǒng)中。
Berger Lahr/Schneider Electric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)。因為無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)動系統(tǒng)仍活躍于市場。整個動力行業(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。 |
