基于步进电机的系统保持竞争力

运动控制:传统的步进电机系统代表了唯一能够在开环运行的运动控制技术——尽管添加位置反馈来增强性能的技术正在上升。更简单的控制，更低成本的组件和其他创新，使步进系统在许多应用中与伺服运动系统竞争。

弗兰克·j·巴托斯 2013年4月22日

步进运动系统在许多应用中闪耀，需要小于临界速度和位置精度。在技术的绘图点中，不需要系统调整（基于伺服的运动），产生的电机成本更低，并更简单的控制和电缆。即使添加低成本反馈设备，系统价格优势也仍然存在。步进技术的其他优点包括最小的系统设置时间，更少需要用户专业知识，以及用于驱动负载的更好的电动机惯性匹配。

成本节省是步进产品供应商的常见主题。“STEP MOTORS在伺服电机上始终具有成本优势，但传统上这是绩效价格的，”施耐德电动议员的应用工程经理Clark Hummel说。Hummel列出了三个属性，允许今天的步进系统采用许多需要伺服伺服的应用程序 - 同时仍保持相当大的成本优势：

消除失速(不同步)
能够根据负载要求自动调整运行电流
能够提供扭矩的过载。

贝加莱工业自动化公司将更低的成本与步进电机和驱动器的广泛应用联系起来。贝加莱技术解决方案总监科里·莫顿表示，如果使用反馈，将在成本较低的设备中实现。他说:“相比之下，在小功率额定值下，与伺服系统一起使用的高分辨率绝对编码器的成本可能与电机本身一样高，甚至更高。”

Morton认为步进驱动器进一步节省了成本，特别是对于较小的尺寸。各种驱动形式的因素，现在可用的机器安装或控制柜，增加步进系统的通用性。Morton补充道:“再加上许多可供选择的电机变量，机器制造商可以灵活地选择最适合他们的设计和应用需求的步进电机/驱动组合。”

Kollmorgen同样认为步进电机/驱动系统成本更低，易于实施。科尔摩根(Kollmorgen)产品经理吉恩•马修斯(Gene Matthews)表示:“(在许多情况下)反馈设备的缺乏尤其降低了电机、电缆和驱动器的成本。”将步进集成到机器中就像在PLC上脉冲输出一样简单。”随着微步技术在驱动器中可用，步进系统的性能现在可以接近-尽管仍然不等同-伺服系统。Matthews指出:“这为应用程序提供了一个有价值的解决方案，可以在性能和价格之间进行权衡。”

Beckhoff Automation考虑了步进或伺服作为平衡性能和价格的选择。“这是可用技术的平衡，反对应用程序的性能要求 - 特别是在负载和可用的预算方面，”Beckhoff博克夫·斯瓦拉斯（Beckhoff）的专家说。

步进电机虽然在负载方面很敏感，但比伺服电机的尺寸更简单。根据Swalley的说法，通常情况下，你需要找到一个能够在应用速度下处理两倍峰值负载扭矩的电机。良好的性能是获得所需的速度，基本上不超过800转/分钟。Swalley说:“使用步进器可以获得符合当今标准的功能，同时还可以比更昂贵的伺服替代品节省成本。”

恒,电动机+驱动器

标准步进电机在相对较高的电流下运行，导致产生过多的热量，限制了其占空比。OM的全国营销经理托德·沃克(Todd Walker)指出，最近，东方汽车美国公司(Oriental Motor USA)(和其他公司)开发了一类“恒负荷”步进电机，其能效高于标准电机。这是几个因素的结果:控制运行电流以减少热损失，使用更高级别的钢层压，磁通模式在电机齿增强，以及更有效的电子驱动。这种组合可以在更低的运行电流下产生扭矩。

另一个重要的步进系统开发一直是电机，驱动和辅助部件的整合到一个包装中。优点包括更简单（更少）接线，匹配的驱动器和电机，以及使用带有预装配编码器的电机或类似于伺服系统的自我校正选项的电机的选项。许多制造商提供此类电机驱动套件。“步进包还将通信选项构建到驱动程序中，这将在步进驱动技术中变得更加常见，”沃克说。（参见产品表及更多关于REF的电机驱动开发。1在线。）

施耐德电动运动也重视综合运动。它长期以来一直是电机驱动的倡导者，例如，其MDrive产品线，包括NEMA 14,17,23和34步电机尺寸（参考文献2）。将电机，驱动器，编码器和运动控制器组合到一个包中，通过消除长期的昂贵的反馈和电源线来扩展整体成本优势，从而消除了大部分控制面板空间要求，并减少了运动轴中的潜在故障点洪梅尔。“这提供了在评估伺服系统的步进系统时提供真正的价值主张，”他说。

开环或更多

根据贝加莱自动化公司的说法，适当尺寸的步进系统运行在开环，可提供可重复的定位——通常在半步或更高的精度(0.9°或更高的200步/转速电机)。Morton指出:“总体定位精度取决于与驱动器和电机结构相关的许多因素。“微步(例如，1/10步或0.18°)是一种常用的方法，可以减少步进电机的振动，并提高定位精度。”

在开环控制中，用于选择步进电机的大扭矩裕度(高达50%)。这可以作为应对意外负载变化的安全因素。反馈控制最小化或消除了对这一规定的需要。

对于需要更好的定位精度或整体性能提高的应用，步进电机可以安装不同的位置传感器，如增量或绝对编码器和解析器。“一个简单的实现可以使用传感器来验证到达命令位置并开始修正动作。更先进的实现可能使用全闭环定位，类似于伺服系统操作，”Morton补充说。

然而，更简单的传感器可以在典型的步进应用中足够。例如，东方电机的助行器提到了200美元低于70美元的200个脉冲/ REV编码器，而伺服系统可能需要一个昂贵的编码器，例如16K PPR功能。

Oriental的AR系列电机和驱动套件具有自校正选项，模拟伺服操作，据报道即使在负载变化和加速度下也能保持定位。传感器监测电机轴旋转，在过载情况下，AR系列通过进入闭环模式迅速恢复控制。如果过载情况持续，驱动器输出报警信号。

先进的实现在新的步进驱动器包括电机和驱动负载之间的同步控制。例如，在Kollmorgen的P7000步进驱动器中使用的无编码器失速检测可以在步进电机失速时给用户反馈。由于该方法是在软件中实现的，因此不需要实际的反馈设备。Matthews解释说，相反，系统的指令电流会被监控，如果需求超过了定位移动的预期电流限制，驱动器就会关闭。它可能表明异常情况，如堵塞、阻塞或其他机器问题。他说:“这使得更先进的控制方案成本更低。”

许多应用程序

东方电机看到步进应用在数控机床和短移动x, y, z定位的装配或自动化机器。Walker说:“需要短、快速移动(1或2轴转速)或精细定位和重复性的应用是步进器的理想选择。”他列举了取样、计量或泵送应用中需要控制体积的例子。Walker补充道:“在某些应用中，昂贵的变速箱可能会被淘汰，因为步进电机的惯性往往是伺服电机的四倍。”

步进系统非常适合于索引，分配，和定位任务。Kollmorgen提到了贴标、3D打印和驱动线性定位器的例子。马修斯说:“基于步进电机的系统使制造商能够制造出比配备伺服电机的设备性能更低、价格更低的设备。”“步进电机技术在转速低于每秒15转(900转/分)时表现良好。如果你需要在更高的速度下获得较大的扭矩，那么伺服技术就是正确的选择。”

Beckhoff自动化公司的Swalley也认为，步进器不适用于不断变化的力和/或质量或要求更高运行速度的应用。“由于可能失去同步性，这个领域仍然是严格的伺服运动领域，”斯沃利总结道。(更多贝克霍夫覆盖出现在参考文献1和包装机应用使用步进运动控制，参考文献3，在线。)

杂交

运动控制正朝着各种被称为“驱动器独立”或“混合”技术发展，特别是由提供伺服和步进系统的制造商驱动。贝加莱自动化公司的Morton解释说，这种发展的好处之一是，机器制造商可以提供更低成本的步进电机解决方案，使用的是以前用于伺服系统的运动控制软件。

施耐德电动运动同样评论说，现代控制设计的出现，如该公司的商标混合运动技术(HMT)，已经极大地缩小了步进和伺服之间的性能差距。HMT功能包括在扭矩模式下运行的能力和100%的电机扭矩，这被认为是步进电机独有的(阅读参考文献1和2，在线)。

继续创新和采用新的混合技术有助于保持步进运动系统在适当的一步。

- 弗兰克J. Bartos，PE，是一个控制工程贡献内容专家。到了他braunbart@sbcglobal.net.．

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