在越來(lái)越多的高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域，技術(shù)的進(jìn)步正在改變步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)之間的性能-成本比。

在采用了閉環(huán)技術(shù)后，成本更低的步進(jìn)電機(jī)正在逐漸滲透到原本被高成本伺服電機(jī)所支配的應(yīng)用領(lǐng)域。

步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)

根據(jù)傳統(tǒng)的觀念，在需要速度超過800RPM以及需要高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用中，伺服控制系統(tǒng)性能更為出色。步進(jìn)電機(jī)則更適合用于速度較低、低到中等加速度、和/或需要較高保持轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用。

那么這種關(guān)于步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的傳統(tǒng)觀念的依據(jù)是什么呢？

結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)采用步進(jìn)方式轉(zhuǎn)動(dòng)，利用磁線圈逐步拉動(dòng)一個(gè)磁體，使其從一個(gè)位置到達(dá)下一個(gè)位置。要使電機(jī)在任何方向移動(dòng)100個(gè)位置，電路都需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行100次步進(jìn)操作。步進(jìn)電機(jī)利用脈沖實(shí)現(xiàn)遞增運(yùn)動(dòng)，可以在不使用任何反饋傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)精確定位。

圖1.一個(gè)混合步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方法是不同的。它在磁轉(zhuǎn)子上連接一個(gè)位置傳感器–即編碼器–會(huì)持續(xù)檢測(cè)電機(jī)的準(zhǔn)確位置。伺服會(huì)監(jiān)控電機(jī)實(shí)際位置和指令位置之間的差異，并對(duì)電流進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。這種閉環(huán)系統(tǒng)可以使電機(jī)保持在正確的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖2.伺服電機(jī)

簡(jiǎn)便性和成本

步進(jìn)電機(jī)不僅比伺服電機(jī)成本低，而且調(diào)試和維護(hù)都更加簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)是穩(wěn)定的，并能保持位置（即使是采用動(dòng)態(tài)負(fù)載）。不過，如果某些應(yīng)用場(chǎng)合有更高的性能要求，則必須采用更昂貴、更復(fù)雜的伺服電機(jī)。

定位

在需要隨時(shí)了解機(jī)器準(zhǔn)確位置的應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)有重要差別。在通過步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中，控制系統(tǒng)認(rèn)為電機(jī)始終處于正確的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。不過，在遇到問題以后，比如因?yàn)椴考ㄗ《鴮?dǎo)致電機(jī)失速，控制器就無(wú)法了解機(jī)器的實(shí)際位置，從而導(dǎo)致失位。伺服電機(jī)本身的閉環(huán)系統(tǒng)具有一個(gè)優(yōu)勢(shì)：如果其被一個(gè)物體卡住，會(huì)立刻檢測(cè)到。機(jī)器會(huì)停止操作，始終不會(huì)失位。

圖3.在一個(gè)閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的位置反饋

速度和轉(zhuǎn)矩

步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的性能差異源自他們不同的電機(jī)設(shè)計(jì)方案。步進(jìn)電機(jī)的極數(shù)比伺服電機(jī)多得多，因此步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一整圈，所需的繞組電流交換次數(shù)要多得多，從而導(dǎo)致在速度增加的情況下，其轉(zhuǎn)矩迅速下降。另外，如果達(dá)到了最大轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電機(jī)可能會(huì)失去速度同步化功能。出于這些原因，在大部分高速應(yīng)用中，伺服電機(jī)都是首選方案。與此相反，步進(jìn)電機(jī)較多的極數(shù)在低速狀態(tài)下具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榇藭r(shí)步進(jìn)電機(jī)與同等尺寸的伺服電機(jī)相比具有轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢(shì)。

圖4.隨著速度的增加，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)下降

熱和能耗

開環(huán)步進(jìn)電機(jī)采用固定電流，并會(huì)散發(fā)大量熱量。閉環(huán)控制只提供速度環(huán)路所需的電流，因此避免了電機(jī)發(fā)熱問題。

步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的比較總結(jié)

伺服控制系統(tǒng)最適合涉及到動(dòng)態(tài)負(fù)載變化的高速應(yīng)用，比如機(jī)械臂。步進(jìn)控制系統(tǒng)則更適合需要低到中加速度和高保持轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用，比如3D打印機(jī)、傳送帶、副軸等。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)成本更低，所以在使用之后，可以降低自動(dòng)化系統(tǒng)的成本。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)如果需要利用伺服電機(jī)的特性，就必須證明這些成本較高的電機(jī)物有所值。

圖5.在閉環(huán)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，步進(jìn)電機(jī)能夠滲透到以前完全屬于伺服電機(jī)的高性能、高速度應(yīng)用領(lǐng)域

改變觀念

如果能將閉環(huán)伺服技術(shù)優(yōu)勢(shì)適用于步進(jìn)電機(jī)，那么效果會(huì)如何呢？我們是否能在實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)成本優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，達(dá)到與伺服電機(jī)相仿的性能呢？

通過結(jié)合閉環(huán)控制技術(shù)，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)成為一個(gè)同時(shí)具備伺服和步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的低成本的綜合性產(chǎn)品。因?yàn)殚]環(huán)步進(jìn)電機(jī)能夠顯著提高性能和能效，所以可以在越來(lái)越多的高標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中取代更昂貴的伺服電機(jī)。

高創(chuàng)（Servotronix）在其stepIM綜合步進(jìn)電機(jī)中嵌入了閉環(huán)控制功能。

圖6.Servotronix采用閉環(huán)控制的stepIM產(chǎn)品

經(jīng)過集成電子控制后的步進(jìn)電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)雙相無(wú)刷直流電機(jī)，可以執(zhí)行位置環(huán)路控制、速度環(huán)路控制、DQ控制、以及其他算法。采用一個(gè)單圈絕對(duì)式編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)換向，從而確保可以在任何速度下達(dá)到最佳轉(zhuǎn)矩。

在這方面，我們可以考慮stepIM產(chǎn)品。

低能耗以及保持冷卻狀態(tài)

StepIM步進(jìn)電機(jī)具有高能效。與始終按照全電流指令操作的開環(huán)步進(jìn)電機(jī)會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱和噪音問題不同，stepIM的電流會(huì)根據(jù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況改變的，比如在加速和減速過程中。與伺服類似，在任何時(shí)刻，這些步進(jìn)電機(jī)所消耗的電流都與所需的實(shí)際轉(zhuǎn)矩成正比。因?yàn)殡姍C(jī)和集成電子控制板運(yùn)行溫度更低，所以stepIM步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與伺服電機(jī)相仿的更高峰值轉(zhuǎn)矩。

圖7.即使在高速度下，StepIM步進(jìn)電機(jī)所需的電流也更小

精確匹配性能要求

為了確保有足夠的轉(zhuǎn)矩來(lái)克服干擾和避免失步，開環(huán)步進(jìn)電機(jī)通常要保證轉(zhuǎn)矩至少比應(yīng)用所需的數(shù)值高40%。閉環(huán)stepIM步進(jìn)電機(jī)則不存在這個(gè)問題。在這些步進(jìn)電機(jī)因?yàn)檫^載而達(dá)到失速狀態(tài)時(shí)，它們會(huì)繼續(xù)保持負(fù)載狀態(tài)，不會(huì)失去轉(zhuǎn)矩。在消除過載狀態(tài)后，它們會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。在任何指定速度下，都可以保證最大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)通過位置傳感器來(lái)確保不會(huì)失步。因此，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的規(guī)格可以精確匹配相關(guān)應(yīng)用的轉(zhuǎn)矩要求，不需要額外增加40%的裕度。

對(duì)于開環(huán)步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)橛惺Р降娘L(fēng)險(xiǎn)，所以難以滿足較高的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩需求。stepIM閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)很快的加速，運(yùn)行噪音更低，并且共振比傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)更小。它們可以在更高的帶寬下操作，并實(shí)現(xiàn)出色的性能。

無(wú)柜機(jī)器

stepIM將驅(qū)動(dòng)控制板與電機(jī)集成在一起，減少了連線數(shù)量，簡(jiǎn)化了實(shí)施方案。使用stepIM，可以建造無(wú)柜機(jī)器。

圖8.將電子設(shè)備與步進(jìn)電機(jī)集成在一起，可以降低復(fù)雜度

下面我們研究了在一種木材切割應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)控制性能，這種應(yīng)用一般采用伺服電機(jī)來(lái)進(jìn)行，不過現(xiàn)在則用stepIM閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（以下是我們研究過的一個(gè)木材切割應(yīng)用案例，要達(dá)到該應(yīng)用要求的運(yùn)動(dòng)控制性能，通常是采用伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在我們使用StepIM閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。）

在高精度木材切割機(jī)器中的閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)

一家全球工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)每年都要制造和銷售數(shù)百臺(tái)制造木質(zhì)窗框的精密數(shù)控機(jī)床。該應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)精確的同步化和高轉(zhuǎn)矩，每臺(tái)機(jī)器大約需要20-30個(gè)氣動(dòng)和電子伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的成本使得系統(tǒng)整體成本顯著增加。

圖9.木質(zhì)窗框的加工過程

因?yàn)樗欧O(shè)備成本較高，所以會(huì)顯著增加每臺(tái)機(jī)器的整體成本。另外，因?yàn)閱误w式機(jī)柜安裝伺服編碼器需要大量額外的連線，所以增加了安裝時(shí)間以及維護(hù)復(fù)雜度。

在了解到關(guān)于高創(chuàng)（Servotronix）閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)stepIM的信息后，公司迫切希望確定它們是否適用于這些木材加工機(jī)器。

開發(fā)部主管說(shuō)：“為了確保我們的高端機(jī)器在全球范圍內(nèi)具有競(jìng)爭(zhēng)力，成本已經(jīng)成為一個(gè)重要因素。不過，我們?cè)谌魏吻闆r下都不能影響性能、精度、和可靠性。”

如果使用較低成本的閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)性能目標(biāo)，那么公司會(huì)用它們來(lái)取代更昂貴的伺服電機(jī)，從而在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲取優(yōu)勢(shì)。

公司推出了一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，用高創(chuàng)（Servotronix）的stepIM步進(jìn)電機(jī)來(lái)取代一臺(tái)機(jī)器上的伺服電機(jī)。除了電機(jī)以外其他設(shè)置保持不變-運(yùn)動(dòng)控制器和通信協(xié)議（CANopen）都與原來(lái)一樣。

另外，因?yàn)閟tepIM與驅(qū)動(dòng)控制板集成在一起，所需的連線更少，所以同時(shí)也達(dá)到了明顯的簡(jiǎn)化效果。在連線減少的情況下，設(shè)置和維護(hù)速度更快，更加容易。

僅過了幾個(gè)月后，在高創(chuàng)（Servotronix）提供出色技術(shù)支持的情況下，公司能夠建造自己的步進(jìn)型機(jī)器，其性能與標(biāo)準(zhǔn)伺服機(jī)器相仿。

在實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)后，項(xiàng)目經(jīng)理非常高興：“我們可以用stepIM產(chǎn)品取代目標(biāo)機(jī)器上的伺服電機(jī)。雖然我們還需要編寫一些軟件并進(jìn)行一些初步的測(cè)試，但是我們?cè)趲讉€(gè)月內(nèi)就達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。”

接下來(lái)要確定采用步進(jìn)電機(jī)的機(jī)器是否能達(dá)到精度、加速度、能耗、和其他關(guān)鍵性能指標(biāo)。

在經(jīng)過了為期一個(gè)月的試驗(yàn)后，公司確定：采用閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的機(jī)器不僅滿足了所有規(guī)格和機(jī)器性能要求，而且還將每臺(tái)機(jī)器的復(fù)雜度和切割成本降低了5%以上。公司現(xiàn)在已經(jīng)開始在300臺(tái)新機(jī)器上采用stepIM。

新的機(jī)遇

閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)改變了很多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中的性能-成本比。因?yàn)閾碛谐錾木群湍苄?，所以stepIM步進(jìn)電機(jī)能夠用于過去以更昂貴伺服電機(jī)為主的領(lǐng)域。stepIM閉環(huán)伺服電機(jī)很適合多軸應(yīng)用，負(fù)載變化的定位任務(wù)，以及要求安靜操作（運(yùn)行安靜）、短穩(wěn)定時(shí)間(整定時(shí)間短)和精確定位的其他應(yīng)用。

目前，高創(chuàng)（Servotronix）的stepIM閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)用于木材加工、醫(yī)療、印刷、牙科研磨、太陽(yáng)能、以及眾多其他高標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用領(lǐng)域，這些以往都是伺服電機(jī)的專屬應(yīng)用領(lǐng)域。