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基于步進電機的運動系統(tǒng)的特點優(yōu)勢及應(yīng)用分析
2022-06-20

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(shè)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(yīng)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(yīng)用來說，都是在較低輸出功率中運行的。大批廠商關(guān)注于這個市場。 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(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)shinano kenshi corp. （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(guān)的改進辦法。skc提出在進行這些方面的改進時，應(yīng)控制（降低）步進電機的價格。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步進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 重新設(shè)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，rex bergsma，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(shè)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)。baldor electric公司表示應(yīng)用和設(shè)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(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電機，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nextmove e100，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(dǎo)序列、點動控制，以及與步進（伺服）運動系統(tǒng)相關(guān)的扭矩需求。 oriental motor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(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，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電機和兩相步進電機是相反的，這樣也利于該情況?！逼椒€(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(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?！睘榱藵M足這一要求，om已經(jīng)開發(fā)了8in和11in crk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1.4a crk電機。 系統(tǒng)和市場分析 oriental moto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?！皩⒏鞑考M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(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。 步進運動市場的總體規(guī)模，包括商業(yè)和汽車行業(yè)是相當(dāng)大的。據(jù)motion tech trends（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(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電機市場的15%和50%，高于美國。 mtt分析師muhammad mubee的研究表明，兩種步進電機的設(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”）和永磁步進電機。另外可變磁阻（vr）設(shè)計的步進電機已經(jīng)幾乎沒有了。 圖2 除了由于更強的磁場帶來的高扭矩，shinano kenshi 公司為新型步進電機重新設(shè)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(yīng)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。 berger lahr運動技術(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(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。步進驅(qū)動無需調(diào)試軟件?！叭欢恍в星度牍δ艿牟竭M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(luò)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?！八恍枰獙＜覍ζ溥M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(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?！安捎帽粍拥臏蟾櫡ǐ@取參考位置在一些應(yīng)用中，如印刷和貼標(biāo)機中顯得太慢了，”bandy 說?！霸诓竭M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)為步進運動系統(tǒng)和伺服運動系統(tǒng)的競爭在于電機的價格?！八欧姍C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?！彼鼈兯峁┑纳虡I(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(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”，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?！八欧?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(dǎo)軌，和終點擋板等標(biāo)定系統(tǒng)，步進系統(tǒng)可以很好的運行?！八欧姍C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。 ge fanuc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(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(biāo)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。ge fanuc是步進系統(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?！遍_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)混合步進電機的輸出扭矩。鋁殼的設(shè)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(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?！県3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(fù)載的情況下，類似于標(biāo)準(zhǔn)混合步進電機。 圖3 根據(jù) motion tech trends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(biāo)準(zhǔn)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(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，步進運動系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)是在平等的基礎(chǔ)競爭上的?！八欧到y(tǒng)在閉環(huán)應(yīng)用下效果是最好的”，bergsma補充說。 線性步進系統(tǒng)和半導(dǎo)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(shè)備， 以及其他應(yīng)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(yīng)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(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(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。 perger lahr/schneider electric提到步進系統(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(guān)注的問題。 責(zé)任編輯：gt

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