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步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2011-05-25

中心議題:
  • 步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制體積和功能問(wèn)題
  • 步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和市場(chǎng)分析
  • 步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)

步進(jìn)是唯一可以在開(kāi)環(huán)情況下運(yùn)行,而不需位置反饋的運(yùn)動(dòng)控制方法。這使得步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)比伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jì),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(dòng)應(yīng)用中保持著較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

基于步進(jìn)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以達(dá)到0.75kw的功率,但對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō),都是在較低輸出功率中運(yùn)行的。大批廠商關(guān)注于這個(gè)市場(chǎng)。
  
體積和功能問(wèn)題


parkerhannifin公司認(rèn)為體積小和操作簡(jiǎn)單是步進(jìn)系統(tǒng)顯著的優(yōu)點(diǎn),價(jià)格便宜是步進(jìn)系統(tǒng)與伺服運(yùn)動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)的又一優(yōu)勢(shì)。“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marcfeyh說(shuō),“是有一些迷你伺服系統(tǒng),但它們并不那么小,價(jià)格還更貴,且更多部件又需要加以微型化。”開(kāi)環(huán)運(yùn)行簡(jiǎn)單是它的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。然而,在價(jià)格/性能的基礎(chǔ)上競(jìng)爭(zhēng)變得越來(lái)越困難了。

以“合理的價(jià)格”繼續(xù)改進(jìn)尺寸并保持性能。parker指出這種趨勢(shì)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(jià)伺服系統(tǒng)相競(jìng)爭(zhēng)。為了滿足尺寸和成本要求,parke的機(jī)電自動(dòng)化部門(mén)正在引入步進(jìn)驅(qū)動(dòng)/控制器,它是一個(gè)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(dòng)器上,構(gòu)成了微型步進(jìn)運(yùn)動(dòng)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(gè)面的尺寸為1.1,1.4,1.70英寸。

根據(jù)shinanokenshicorp.(skc)的研究電機(jī)小型化,高密度轉(zhuǎn)矩和低噪音/振動(dòng)是保證步進(jìn)運(yùn)動(dòng)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(shí),應(yīng)控制(降低)步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格。據(jù)稱(chēng),新的或重新設(shè)計(jì)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(jì)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(jià)格合算的永磁材料,rexbergsma,skc(u.s.)的董事長(zhǎng)解釋說(shuō),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(dòng)某個(gè)定子的位置,即相繞阻的地方。疊片的重新設(shè)計(jì)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(gè)更強(qiáng)大,更集中的磁場(chǎng),減少了噪聲(見(jiàn)圖)和“建立時(shí)間(阻尼),比前一種模型的速度快了近兩倍,”bergsma.說(shuō)。

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)。baldorelectric公司表示應(yīng)用和設(shè)計(jì)工程師對(duì)這些線性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品越來(lái)越感興趣。它引用旋轉(zhuǎn)電機(jī)(伺服)的優(yōu)點(diǎn),如減少零部件,幾乎沒(méi)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(kāi)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(shuō)。

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(mén)式,和客戶設(shè)計(jì)。該公司的nextmove系列可編程控制器提供適當(dāng)輸出功率來(lái)運(yùn)行線性和旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)(以及伺服電機(jī))。實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器是最新的nextmove產(chǎn)品(如圖1)。


圖1

baldor電氣的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器nextmovee100,可以為16個(gè)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(gè)軸。這些軸處理簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、引導(dǎo)序列、點(diǎn)動(dòng)控制,以及與步進(jìn)(伺服)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的扭矩需求。

orientalmotor公司稱(chēng),新的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是“一個(gè)提高性能參數(shù)和整合各部件的過(guò)程”。該過(guò)程由好幾個(gè)趨勢(shì)組成:

●高密度轉(zhuǎn)矩:通過(guò)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(jì),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(dòng)平穩(wěn)性:一種先進(jìn)的微步進(jìn)方法是通過(guò)控制電流來(lái)獲得更高的步進(jìn)精度。例如,oriental的rk系列五相微動(dòng)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合一種特殊的asic,專(zhuān)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(dòng)功能,”在操作時(shí)抑制了振動(dòng)和噪聲,獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)器的輸入頻率,orientalmotorusa工程部經(jīng)理nickjohantgen解釋道。固有振動(dòng)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(dòng)”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(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)和其相關(guān)驅(qū)動(dòng)器總的發(fā)展趨勢(shì)”,johantgen說(shuō),“便攜式醫(yī)療儀器和工業(yè)儀器在很多應(yīng)用場(chǎng)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(kāi)發(fā)了8in和11incrk五相電機(jī)和11和14in(1.4in./35mm)pk兩相步進(jìn)電機(jī)。新的緊湊型crk微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器尺寸僅為0.98×1.77×2.56in,并且在每一相位最大可控制1.4acrk電機(jī)。

系統(tǒng)和市場(chǎng)分析

orientalmoto的另一打算是將各種步進(jìn)電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器部件組成一個(gè)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(gè)完整的系統(tǒng)是為了減少總成本”,johantgen補(bǔ)充說(shuō)。它進(jìn)一步增強(qiáng)和伺服運(yùn)動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

系統(tǒng)也為crk步進(jìn)電機(jī)提供三種類(lèi)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(dòng)市場(chǎng)的總體規(guī)模,包括商業(yè)和汽車(chē)行業(yè)是相當(dāng)大的。據(jù)motiontechtrends(mtt)最新的市場(chǎng)研究,核心工業(yè)部門(mén),工廠自動(dòng)化(fa),代表了一個(gè)相對(duì)小的但是穩(wěn)固的市場(chǎng),2006年在北美,步進(jìn)電機(jī)和控制消費(fèi)大約為156萬(wàn)美元。fa市場(chǎng)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(jì),歐洲和日本分別占步進(jìn)電機(jī)市場(chǎng)的15%和50%,高于美國(guó)。

mtt分析師muhammadmubee的研究表明,兩種步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)主導(dǎo)fa應(yīng)用(見(jiàn)“市場(chǎng)”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(jì)的步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)幾乎沒(méi)有了。



圖2[page]

除了由于更強(qiáng)的磁場(chǎng)帶來(lái)的高扭矩,shinanokenshi公司為新型步進(jìn)電機(jī)重新設(shè)計(jì)的疊片機(jī)構(gòu)也提供了低磁場(chǎng)振動(dòng)和根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率噪音降低3-6分貝。

“vr步進(jìn)電機(jī)已幾乎沒(méi)有新的應(yīng)用,尤其是與來(lái)自中國(guó)的低價(jià)混合步進(jìn)電機(jī)相比”,mubeen說(shuō)。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(chǎng)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。

bergerlahr運(yùn)動(dòng)技術(shù)公司(施耐德電氣的一家公司)認(rèn)為集成化,操作簡(jiǎn)便,網(wǎng)絡(luò)化工作是步進(jìn)電機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)。減小驅(qū)動(dòng)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(gè)小時(shí)內(nèi)通過(guò)設(shè)定dip和旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)來(lái)完成,項(xiàng)目經(jīng)理sambandy解釋說(shuō)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)無(wú)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(shuō)。

可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化工作的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)開(kāi)環(huán),現(xiàn)場(chǎng)總線,以太網(wǎng)等進(jìn)行驅(qū)動(dòng),可多軸控制,與更高級(jí)別的控制器進(jìn)行通信和系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。

與伺服系統(tǒng)相競(jìng)爭(zhēng)

bandy指出,結(jié)合了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的步進(jìn)系統(tǒng)和伺服運(yùn)動(dòng)的不同在于,它不需要調(diào)整。“它不需要專(zhuān)家對(duì)其進(jìn)行調(diào)試而且減少了建立時(shí)間”,bandy說(shuō)。步進(jìn)系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)速度快。通過(guò)伺服技術(shù),閉環(huán)pid控制,糾錯(cuò)基于錯(cuò)誤的內(nèi)容,這是預(yù)設(shè)動(dòng)作和實(shí)際狀態(tài)的區(qū)別。“采用被動(dòng)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(shuō)。“在步進(jìn)系統(tǒng)中沒(méi)有遲滯。主動(dòng)響應(yīng)不取決于實(shí)際狀態(tài),可以由控制獨(dú)立執(zhí)行”。

skc的bergsma認(rèn)為步進(jìn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)在于電機(jī)的價(jià)格。“伺服電機(jī)仍不能和步進(jìn)的價(jià)格相抗衡。由于步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格在不斷下降,而他們可能永遠(yuǎn)也不會(huì)”。他說(shuō)。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(jià)值優(yōu)于伺服電機(jī),”bergsma繼續(xù)說(shuō)到。

他將“完整的操作系統(tǒng)”稱(chēng)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(gè)或兩個(gè)電機(jī)的應(yīng)用通常使用“黑匣子”驅(qū)動(dòng)器/分度器控制器,有時(shí)會(huì)因功能過(guò)多而導(dǎo)致價(jià)格過(guò)高。相比之下,“現(xiàn)在的大部分電機(jī)都融入個(gè)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(shuō)。

大多數(shù)的運(yùn)動(dòng)都是靠步進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的。這些價(jià)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(dòng)芯片。“伺服驅(qū)動(dòng)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(shuō)。

重申主題

gefanuc控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)總監(jiān)conniechick,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(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的軸,例如:進(jìn)刀量,導(dǎo)軌,和終點(diǎn)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(shuō)。

gefanuc的發(fā)展重點(diǎn)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(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備輸入命令。整個(gè)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(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(jiǎn)單標(biāo)定場(chǎng)合中,該方法試圖將安裝一根運(yùn)動(dòng)軸的成本控制在2000美元以下。

“伺服控制仍在降價(jià),但簡(jiǎn)單的步進(jìn)系統(tǒng)仍有一席之地”,chick.說(shuō)。gefanuc是步進(jìn)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(dāng)”大小適宜該應(yīng)用場(chǎng)合”時(shí),步進(jìn)系統(tǒng)無(wú)需反饋就可以定位的固有特性。這是與伺服電機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的又一優(yōu)勢(shì)。”開(kāi)環(huán)控制,電機(jī)改進(jìn)使步進(jìn)系統(tǒng)的價(jià)格更加劃算,”產(chǎn)品經(jīng)理davebeckstoffer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(jì)增強(qiáng)了散熱功效,因此,減慢電機(jī)溫升常常隨著時(shí)間的推移降低了扭矩。beckstoffer解釋說(shuō):“它同樣降低了耗電量,有利于步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)整體對(duì)電力的需求。”

據(jù)報(bào)道,新的步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)采用釹磁體優(yōu)化扭矩密度,同時(shí)又不增加部件大小。有些時(shí)候適用于可疊式步進(jìn)電機(jī),據(jù)beckstoffer說(shuō),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(gè)護(hù)圈和o型圈保護(hù)著,可以防止軸承滑動(dòng)(運(yùn)行過(guò)程中的軸向運(yùn)動(dòng)),這也是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的主要噪音來(lái)源,”beckstoffe補(bǔ)充說(shuō)。大型軸承用在高的滑坡和有徑向負(fù)載的情況下,類(lèi)似于標(biāo)準(zhǔn)混合步進(jìn)電機(jī)。


圖3

根據(jù)motiontechtrends的研究,2006年,北美地區(qū)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的增長(zhǎng)可望達(dá)到3-4%。


圖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(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品)多提供最多40%的額外扭矩。定子強(qiáng)化的磁鐵通過(guò)集中磁通路來(lái)增大扭矩,從而提高性能。

使用范圍

根據(jù)skc,在無(wú)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(dòng)系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)是在平等的基礎(chǔ)競(jìng)爭(zhēng)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(shuō)。

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(cè)試儀器,醫(yī)療設(shè)備,以及其他應(yīng)用都有強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng),baldor說(shuō)。相比其它選擇,線性步進(jìn)系統(tǒng)常常因?yàn)樗麄兒苌傩枰S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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shuō)。他列舉了生命科學(xué)、醫(yī)療器械系統(tǒng)和其他臺(tái)式設(shè)備中無(wú)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(tái)、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(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中。

pergerlahr/schneiderelectric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?yàn)闊o(wú)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(dòng)系統(tǒng)仍活躍于市場(chǎng)。整個(gè)動(dòng)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(wèn)題。
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