施耐德电气的步进器:遗迹还是现实

步行者:遗迹还是现实?

罗伯·杜索著
运动产品营销经理
施耐德电气
北安多弗，马萨诸塞州

在电子定位控制的早期，步进技术是工厂的救星。到20世纪70年代中期，机械连接、手轮和液压应用迅速被这些革命性的设备所取代，这些设备基于简单的电脉冲输入提供可预测的运动。消除了由可调硬停止和手动测量引起的故障和错误，产生了电子运动控制和工业自动化行业。

虽然闭环伺服技术已经存在了很长时间，但只有物理学博士才有能力应用和调整复杂的控制系统。直到20世纪80年代，当现代固态计算能够取代这些计算，并且随着先进磁性材料的发展，电动伺服器才进入工厂环境。

起初，只有要求最高精度和速度的应用才能负担得起这种昂贵的新技术。然而，随着软件的不断进步以及电机和电子设备的普遍成本降低，竞争环境已经变得公平。伺服系统现在已经变得像步进器一样简单易用。这种平等也延伸到制造成本上。过去，伺服电机的成本是同等功率步进电机的许多倍，而典型的2马力工业级系统的成本差异现在约为40%1。这一差距正在迅速缩小。

步进器在工业自动化应用中仍然占有一席之地。2001年，估计在北美销售了300,000个轴，大致相当于伺服轴的数量2。随着两种技术之间的成本和复杂性差距不断缩小，控制或运动工程师必须更多地依靠技术比较来确定最适合应用的技术。

1.成本比较包括在步进和伺服系统上的等效编码器反馈装置。
2.“对IMS Research的研究‘北美运动控制市场-2001版’的最新预测”，2002年7月。

步进和伺服运动系统之间有几个重要的技术应用差异:

• 步进电机在静止状态下提供完整的保持扭矩，无论负载如何，而伺服电机需要误差来产生扭矩。这种属性使得步进电机非常适合需要停止负载并“锁定”下来的应用，而不需要保持制动的组件和维护成本。

然而，电力消耗是要付出代价的。步进器在任何时候都需要充分的电流来保持充分的保持扭矩，而伺服器只提供克服误差和保持位置所需的功率。这也解释了为什么步进器通常仅限于低功耗应用。

• 步进电机和驱动器可以在没有反馈装置的情况下使用，为不需要此功能的应用提供非常便宜但高度精确的定位系统。步进电机的价格通常比伺服电机低25%左右，因为它在三个方面省钱:
  1.电机上不需要编码器
  2.驱动器上没有旋转监控电路
  3.无反馈电缆
  步进系统通常适用于低功率应用，或者在故障导致轴意外移动时不会对人员或机械造成损害的应用。步进系统是快速和容易设置，因为不需要调整。

• 伺服系统可以更好地适应负载的变化，例如在材料传输或加工应用中。另一方面，当负载发生显著变化时，步进系统可以减速(失去扭矩)。这使得步进系统最适合于定义良好和一致的负载。

• 步进系统很容易控制，只需要一个脉冲和方向信号。实际上，步进轴可以完全由PLC上的两个离散输出控制。为此，许多PLC平台都提供了高速“脉冲”输出。在许多情况下，通过消除对运动控制器的需要，该属性提供了大量的系统成本节约。

• 步进电机提供出色的扭矩输出，但仅适用于低于2000转/分的速度和有限的加速/减速率，而伺服电机通常可以将其扭矩保持在6000-8000转/分，峰值至连续额定值为5:1，加速/减速率更高。

• 步进器本质上是数字化的(用电流“脉冲”而不是正弦波移动)，因此可能会在机械系统中引入机械共振。

应用程序

理想步进应用的区分属性 更低的扭矩(&16NM或140 in/lbs)请注意，变速箱可用于在较低速度下提供更高的扭矩 较低的速度(最大500-2000 RPM，取决于尺寸) 近似恒定载荷 厂商 可能不需要反馈(如果可以从应用中消除，可以节省大量成本)理想伺服应用的区别属性	理想步进应用的区分属性 更高的扭矩(高达160NM或118英尺/磅) 更高的速度(高达8000rpm) 变量加载 高加速速率
步进应用示例 恒定负载输送机。 标签和包装系统 x - y表 切割长度(轻扭矩)和旋转刀的应用 胶片加工和印刷 绕线应用 医疗设备 产品分配器	伺服应用示例 钻井 铣 磨 重型部件的龙门架 托盘堆垛机 锯(大扭矩) 论文将

通过仔细考虑这些技术差异，工程师不仅可以根据价格做出合格的决定，还可以根据哪种运动技术最能提高机器的整体功能、成本和简洁性做出合格的决定。然而，混合和匹配这两种技术可能会增加额外的复杂性，因为它们通常涉及不同的软件和硬件平台。施耐德电气(Schneider Electric)等一些全系列运动供应商已经用双平台驱动器解决了这个问题，该驱动器为两种技术提供了相同的功能集和编程接口。这样的解决方案将使步进技术在现代工厂中继续蓬勃发展。

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