步進運動控制技術(shù)

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(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?！熬€性步進電機是非常適合應(yīng)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(shè)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（見照片）。

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：

步進運動控制技術(shù)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。

步進運動控制技術(shù)改善

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。

步進運動控制技術(shù)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0.98x1.77x2.56in，并且在每一相位最大可控制1.4ACRK電機。

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?！遍_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)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(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，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(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。

對于某些低功率應(yīng)用，內(nèi)在控制簡單，微電機及驅(qū)動器、高密度轉(zhuǎn)矩步進系統(tǒng)構(gòu)成了伺服電機可行的選擇。

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。

基于步進的運動系統(tǒng)可以達到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行的。大批廠商關(guān)注于這個市場。

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(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。

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?！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(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MuhammadMubee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。

“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的產(chǎn)品信息中心里找到。

BergerLahr運動技術(shù)公司（施耐德電氣的一家公司）認為集成化，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SamBandy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。

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(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。

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載的情況下，類似于標準混合步進電機。

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%。

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。

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?！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準化的應(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。

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?！霸谳S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。

BergerLahr/SchneiderElectric提到步進系統(tǒng)的應(yīng)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)。

GEFanuc控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)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(dǎo)軌，和終點擋板等標定系統(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。

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(luò)設(shè)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(yīng)商。

Portescap（DanaherMotion的子公司）同樣注意到了當”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。”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。

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。2100433B

永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；

步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）

反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。

雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。

現(xiàn)如今,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。鑒于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。

雖然經(jīng)常采用的步進梁有4種類型，但是平移液壓缸機構(gòu)的設(shè)計基本上是相同的，步進梁升降機構(gòu)的受力分析比較簡單，歸納為根據(jù)液壓缸的受力和液壓回路的工作壓力選擇合適規(guī)格的液壓缸。偏心輪式步進梁的受力分析、運動軌跡相對復(fù)雜，也包含了升降液壓缸的設(shè)計選型，所以下面以典型的偏心輪式步進梁為例，分析一下步進梁的設(shè)計計算過程。

當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。即步進頻率 。