步進運動控制技術

步進運動控制技術，是唯一可以在開環情況下運行，而不需位置反饋的運動控制方法。這使得步進電機系統比伺服運動系統簡單得多，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計，如硬體小型化和高密度力矩，使得步進系統在很多要求較低速度和定位精度運動套用中保持著較強的競力。

步進運動控制技術

對於某些低功率套用，內在控制簡單，微電機及驅動器、高密度轉矩步進系統構成了伺服電機可行的選擇。

步進是唯一可以在開環情況下運行，而不需位置反饋的運動控制方法。

基於步進的運動系統可以達到0.75千瓦（1馬力）的功率，但對大多數套用來說，都是在較低輸出功率中運行的。大批廠商關注於這個市場。

Baldor電氣的實時運動控制器NextMovee100，可以為16個軸進行插值，並且最多可以管理連線到乙太網Powerlink上的240個軸。這些軸處理簡單的點對點運動、引導序列、點動控制，以及與步進（伺服）運動系統相關的扭矩需求。

體積和功能問題

ParkerHannifin公司認為體積小和操作簡單是步進系統顯著的優點，價格便宜是步進系統與伺服運動競爭的又一優勢。“步進系統在不增加任何費用的情況下可以做的非常小，”產品經理MarcFeyh說，“是有一些迷你伺服系統，但它們並不那么小，價格還更貴，且更多部件又需要加以微型化。”開環運行簡單是它的第二個優點。然而，在價格/性能的基礎上競爭變得越來越困難了。

以“合理的價格”繼續改進尺寸並保持性能。Parker指出這種趨勢和昂貴的高端步進系統是有所區別的，它不能和低價伺服系統相競爭。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動/控制器,它是一個微型步進單元，提供了可程式序控制器及集成輸入/輸出連線埠。

手掌大小的預裝件（1.1×1.5×4英寸）安裝在Parker的Promech系列線性驅動器上，構成了微型步進運動系統。Park旋轉步進幅度降至NEMA，11，14和17，分別在方形電機的橫截面轉化為每個面的尺寸為1.1，1.4，1.70英寸。

根據ShinanoKenshiCorp.（SKC），的研究電機小型化，高密度轉矩和低噪音/振動是保證步進運動控制相關的改進辦法。SKC提出在進行這些方面的改進時，應控制（降低）步進電機的價格。據稱，新的或重新設計的轉子和定子疊片已經最佳化了內部空間和NEMA17和13步進系統的結構。

重新設計的步進系統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，改進是為轉子添加額外的永磁材料。由於總空間是固定的，需要移動某個定子的位置，即相繞阻的地方。疊片的重新設計也改進了SKC新型的STP-430步進電機的轉子和定子的齒形。結果形成一個更強大，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

除了傳統的旋轉步進電機，還存線上性步進電機系統。

BaldorElectric公司表示套用和設計工程師對這些線性運動產品越來越感興趣。它引用旋轉電機（伺服）的優點，如減少零部件，幾乎沒有磨損或維修，並且易於結合機器使用。“線性步進電機是非常適合套用在輕負載的情況下，提供優良的開環性能等,較高的加速度和比旋轉更高的速度，”Baldor的產品經理JohnMazurkiewicz說。

Baldor生產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，和客戶設計。該公司的NextMove系列可程式控制器提供適當輸出功率來運行線性和旋轉式步進電機（以及伺服電機）。實時運動控制器是最新的NextMove產品（見照片）。

組成趨勢

OrientalMotor公司稱，新的步進電機和驅動系統的開發是“一個提高性能參數和整合各部件的過程”。該過程由好幾個：

高密度轉矩

通過使用更高的能源產品（強度）的釹鐵硼（Nd-Fe-B）稀土永磁材料定期重新設計，加上結構上的改變，如較大的轉子直徑，已經提高了電機轉矩性能。獲益的OM產品包括高轉矩的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

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，五相微動驅動器結合一種特殊的ASIC，專有軟體，和電流感測器在很寬的速度範圍內控制電流。電流感測器和控制軟體還進一步保證了“平穩驅動功能，”在操作時抑制了振動和噪聲，獨立於驅動器的輸入頻率，OrientalMotorUSA工程部經理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，這樣也利於該情況。”平穩傳動”的產品如PK和CRK系統的五相步進控制。

更多微型尺寸

“小型化是開環步進電機和其相關驅動器總的發展趨勢”，Johantgen說，“攜帶型醫療儀器和工業儀器在很多套用場合中需要使用較小的電機。”為了滿足這一要求，OM已經開發了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微步進驅動器尺寸僅為0.98x1.77x2.56in，並且在每一相位最大可控制1.4ACRK電機。

系統和市場分析

OrientalMoto的另一打算是將各種步進電機/驅動器部件組成一個系統解決方案。這包括安裝板，彈性聯軸器，減振器，控制器。“將各部件組成一個完整的系統是為了減少總成本”，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（與齒輪齒數比有關）；行星齒輪具有廣泛的齒數比和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模，包括商業和汽車行業是相當大的。據MotionTechTrends（MTT）最新的市場研究，核心工業部門，工廠自動化（FA），代表了一個相對小的但是穩固的市場,2006年在北美，步進電機和控制消費大約為156萬美元。FA市場包括工具機，機器人系統，各種OEM的生產機器（包括半導體設備，印刷，紡織，塑膠等）。

據MTT粗略估計，歐洲和日本分別占步進電機市場的15%和50%，高於美國。MTT分析師MuhammadMubee的研究表明，兩種步進電機的設計主導FA套用（見“市場”圖表）。它們分別是大量生產的tin-can型（又名“can-stack”）和永磁步進電機。另外可變磁阻（VR）設計的步進電機已經幾乎沒有了。

“VR步進電機已幾乎沒有新的套用，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，但性能並不高。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的產品信息中心裡找到。

BergerLahr運動技術公司（施耐德電氣的一家公司）認為集成化，操作簡便，網路化工作是步進電機的主要發展趨勢。減小驅動和電機尺寸有助於縮小控制櫃和機器空間的需求，而系統設定，可以在不到一個小時內通過設定DIP和旋轉開關來完成，項目經理SamBandy解釋說。步進驅動無需調試軟體。“然而，一些帶有嵌入功能的步進系統需要配置帶有螢幕的軟體系統用於數據輸入，”Bandy說。 可進行網路化工作的步進電機通過開環，現場匯流排，乙太網等進行驅動，可多軸控制，與更高級別的控制器進行通信和系統狀態數據採集。

除了由於更強的磁場帶來的高扭矩，ShinanoKenshi公司為新型步進電機重新設計的疊片機構也提供了低磁場振動和根據運轉頻率噪音降低3-6分貝。

與伺服系統相競爭

Bandy指出，結合了驅動電機的步進系統和伺服運動的不同在於，它不需要調整。“它不需要專家對其進行調試而且減少了建立時間”，Bandy說。步進系統的另一個優點在於回響速度快。通過伺服技術，閉環PID控制，糾錯基於錯誤的內容，這是預設動作和實際狀態的區別。“採用被動的滯後跟蹤法獲取參考位置在一些套用中，如印刷和貼標機中顯得太慢了，”Bandy說。“在步進系統中沒有遲滯。主動回響不取決於實際狀態,可以由控制獨立執行”。

SKC的Bergsma認為步進運動系統和伺服運動系統的競爭在於電機的價格。“伺服電機仍不能和步進的價格相抗衡。由於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，步進電機本身的產量高，從而降低了單位成本。”它們所提供的商業價值優於伺服電機，”Bergsma繼續說到。

他將“完整的作業系統”稱為需求，使用步進或伺服電機的數量是不多的。像這種使用一個或兩個電機的套用通常使用“黑匣子”驅動器/分度器控制器，有時會因功能過多而導致價格過高。相比之下，“現在的大部分電機都融入個性化和標準化的套用，這樣就需要大量的電機”，Bergsma說。

大多數的運動都是靠步進系統驅動的。這些價格敏感的系統利用步進控制較低的生產成本，使用現有驅動晶片。“伺服驅動系統經常用於OEM設備中，但只是少量/中等數量，僅適用於閉環反饋和加速/減速，這些都是伺服可以做到的”，Bergsma補充說。

重申主題

GEFanuc控制系統業務總監ConnieChick,再次重申步進系統只適用於精度不高，最終定位精度不太重要的運動系統。

對於一些簡單的軸，例如：進刀量，導軌，和終點擋板等標定系統，步進系統可以很好的運行。“伺服電機速度高轉矩大。因此，步進系統在精度要求高和/或轉矩大的高速機器中是不適用的”。Chick說。

GEFanuc的發展重點放在微控制和智慧型步進電機。它引入了步進放大器，將其集成在機蓋上，通過一個簡單的網路設備輸入命令。整個系統是由GEFanuc的小型內置式脈衝/方向輸出控制64位PLC和MotorCube智慧型步進電機組成，它並不占用面板的空間。打算使用於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，但簡單的步進系統仍有一席之地”，Chick.說。GEFanuc是步進系統和高性能伺服系統的供應商。

Portescap（DanaherMotion的子公司）同樣注意到了當”大小適宜該套用場合”時，步進系統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勢。”開環控制，電機改進使步進系統的價格更加划算，”產品經理DaveBeckstoffer指出。

舉例

例如，Portescap已經充分地提高了它的最新成員h3系統混合步進電機的輸出扭矩。鋁殼的設計增強了散熱功效，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，有利於步進電機系統整體對電力的需求。”

據報導，新的步進電機設計採用釹磁體最佳化扭矩密度，同時又不增加部件大小。有些時候適用於可疊式步進電機，據Beckstoffer說，用釹鐵硼稀土永磁材料最佳化混合式步進電機扭矩密度還是一種較新的辦法。這些改進也有助於降低電機噪音和共振。”h3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，類似於標準混合步進電機。

根據MotionTechTrends的研究，2006年，北美地區步進運動系統的增長可望達到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。

使用範圍

根據SKC，在無需編碼器閉環反饋的套用中，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，步進運動系統和伺服系統是在平等的基礎競爭上的。“伺服系統在閉環套用下效果是最好的”，Bergsma補充說。

線性步進系統和半導體及光纖製造，引線鍵合機，雷射調阻機，晶圓探針測試儀器，醫療設備，以及其他套用都有強有力的競爭，Baldor說。相比其它選擇，線性步進系統常常因為他們很少需要維修而贏得讚揚。“在軸間緊密配合不重要的可控環境下，任何點對點的套用，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、醫療器械繫統和其他台式設備中無數這樣的套用。

MTT引用了很多用於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、電子裝配、線性載物台、醫療分析儀技術中喜歡選用步進電機。許多步進電機也常常用於更大尺寸、更強動力汽車傳動系統中。

BergerLahr/SchneiderElectric提到步進系統的套用目標包括那些低維修和需要低成本解決方案的OEM系統。因為無需太高技能就可以調試步進系統，機器出口商也更喜歡步進系統而非伺服系統。

發展

總之，基於步進的運動系統仍活躍於市場。整個動力行業的改進仍在不斷提高，但是在各種大小的步進系統中，集成化和低功率仍是人們最關注的問題。