步进运动控制技术纵览

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。



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除了由于更强的磁场带来的高扭矩，shinano kenshi 公司为新型步进电机重新设计的叠片机构也提供了低磁场振动和根据运转频率噪音降低3-6分贝。

“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。



图3

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％。



图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。