對于某些低功率應用，內在控制簡單，微電機及驅動器,、高密度轉矩步進系統(tǒng)構成了伺服電機可行的選擇,。
步進是唯一可以在開環(huán)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(tǒng)比伺服運動系統(tǒng)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,，如硬件小型化和高密度力矩,，使得步進系統(tǒng)在很多要求較低速度和定位精度運動應用中保持著較強的競爭力。
基于步進的運動系統(tǒng)可以達到0.75千瓦（1馬力）的功率,，但對大多數(shù)應用來說,，都是在較低輸出功率中運行的。大批廠商關注于這個市場,。
Baldor電氣的實時運動控制器NextMove e100,，可以為16個軸進行插值.
并且最多可以管理連接到以太網(wǎng)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(tǒng)相關的扭矩需求。
體積和功能問題
Parker Hannifin公司認為體積小和操作簡單是步進系統(tǒng)顯著的優(yōu)點,，價格便宜是步進系統(tǒng)與伺服運動競爭的又一優(yōu)勢。“步進系統(tǒng)在不增加任何費用的情況下可以做的非常小,，”產(chǎn)品經(jīng)理Marc Feyh說,，“是有一些迷你伺服系統(tǒng)，但它們并不那么小,，價格還更貴,，且更多部件又需要加以微型化。”開環(huán)運行簡單是它的第二個優(yōu)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(xù)改進尺寸并保持性能,。Parker指出這種趨勢和昂貴的高端步進系統(tǒng)是有所區(qū)別的,，它不能和低價伺服系統(tǒng)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,，提供了可編程序控制器及集成輸入/輸出端口。
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(tǒng),。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(jù)Shinano Kenshi Corp. （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(jù)稱,，新的或重新設計的轉子和定子疊片已經(jīng)優(yōu)化了內部空間和NEMA17和13步進系統(tǒng)的結構,。
重新設計的步進系統(tǒng)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,，Rex Bergsma,，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,。由于總空間是固定的,，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(tǒng)的旋轉步進電機,，還存在線性步進電機系統(tǒng)。Baldor Electric公司表示應用和設計工程師對這些線性運動產(chǎn)品越來越感興趣,。它引用旋轉電機（伺服）的優(yōu)點,，如減少零部件，幾乎沒有磨損或維修,，并且易于結合機器使用,。“線性步進電機是非常適合應用在輕負載的情況下，提供優(yōu)良的開環(huán)性能等, 較高的加速度和比旋轉更高的速度,，”Baldor的產(chǎn)品經(jīng)理John Mazurkiewicz說,。
Baldor生產(chǎn)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系列可編程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(chǎn)品（見照片）。
Oriental Motor公司稱,，新的步進電機和驅動系統(tǒng)的開發(fā)是“一個提高性能參數(shù)和整合各部件的過程”,。該過程由好幾個趨勢組成：
■ 高密度轉矩：通過使用更高的能源產(chǎn)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(jīng)提高了電機轉矩性能。獲益的OM產(chǎn)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,。
■ 改善步進角精度和傳動平穩(wěn)性：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，專有軟件,，和電流傳感器在很寬的速度范圍內控制電流,。電流傳感器和控制軟件還進一步保證了“平穩(wěn)驅動功能，”在操作時抑制了振動和噪聲,，獨立于驅動器的輸入頻率,，Oriental Motor USA工程部經(jīng)理Nick Johantgen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,，這樣也利于該情況,。”平穩(wěn)傳動”的產(chǎn)品如PK和CRK系統(tǒng)的五相步進控制。
■ 更多微型尺寸：“小型化是開環(huán)步進電機和其相關驅動器總的發(fā)展趨勢”,，Johantgen說,，“便攜式醫(yī)療儀器和工業(yè)儀器在很多應用場合中需要使用較小的電機,。”為了滿足這一要求,，OM已經(jīng)開發(fā)了8in和11in CRK五相電機和11和14in（1.4 in./35 mm）PK兩相步進電機。新的緊湊型CRK微步進驅動器尺寸僅為0.98 x 1.77 x 2.56 in,，并且在每一相位最大可控制1.4A CRK電機,。
系統(tǒng)和市場分析
Oriental Moto的另一打算是將各種步進電機/驅動器部件組成一個系統(tǒng)解決方案。這包括安裝板,，彈性聯(lián)軸器,，減振器，控制器,。“將各部件組成一個完整的系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)比有關）,；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,。
步進運動市場的總體規(guī)模,，包括商業(yè)和汽車行業(yè)是相當大的。據(jù)Motion Tech Trends （MTT）最新的市場研究,，核心工業(yè)部門,，工廠自動化（FA），代表了一個相對小的但是穩(wěn)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市場包括機床，機器人系統(tǒng),，各種OEM的生產(chǎn)機器（包括半導體設備,，印刷，紡織,，塑膠等）,。據(jù)MTT粗略估計，歐洲和日本分別占步進電機市場的15%和50%,，高于美國,。
MTT分析師Muhammad Mubee的研究表明，兩種步進電機的設計主導FA應用（見“市場”圖表）,。它們分別是大量生產(chǎn)的tin-can型（又名“can-stack”）和永磁步進電機,。 另外可變磁阻（VR）設計的步進電機已經(jīng)幾乎沒有了。
“VR步進電機已幾乎沒有新的應用,，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，但性能并不高,。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.com的產(chǎn)品信息中心里找到。
Berger Lahr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(wǎng)絡化工作是步進電機的主要發(fā)展趨勢。減小驅動和電機尺寸有助于縮小控制柜和機器空間的需求,，而系統(tǒng)設置,，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(jīng)理Sam Bandy解釋說,。步進驅動無需調試軟件,。“然而,，一些帶有嵌入功能的步進系統(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,。
可進行網(wǎng)絡化工作的步進電機通過開環(huán),，現(xiàn)場總線，以太網(wǎng)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(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。
除了由于更強的磁場帶來的高扭矩,，Shinano Kenshi 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(jù)運轉頻率噪音降低3-6分貝,。
與伺服系統(tǒng)相競爭
Bandy指出，結合了驅動電機的步進系統(tǒng)和伺服運動的不同在于,，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(tǒng)的另一個優(yōu)點在于響應速度快,。通過伺服技術，閉環(huán)PID控制,，糾錯基于錯誤的內容,，這是預設動作和實際狀態(tài)的區(qū)別。“采用被動的滯后跟蹤法獲取參考位置在一些應用中,，如印刷和貼標機中顯得太慢了,，”Bandy 說。“在步進系統(tǒng)中沒有遲滯,。主動響應不取決于實際狀態(tài),可以由控制獨立執(zhí)行”,。
SKC的Bergsma認為步進運動系統(tǒng)和伺服運動系統(tǒng)的競爭在于電機的價格。“伺服電機仍不能和步進的價格相抗衡,。由于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(chǎn)量高，從而降低了單位成本,。”它們所提供的商業(yè)價值優(yōu)于伺服電機,，” Bergsma繼續(xù)說到,。
他將“完整的操作系統(tǒng)”稱為需求,，使用步進或伺服電機的數(shù)量是不多的。像這種使用一個或兩個電機的應用通常使用“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(xiàn)在的大部分電機都融入個性化和標準化的應用，這樣就需要大量的電機”,，Bergsma說,。
大多數(shù)的運動都是靠步進系統(tǒng)驅動的。這些價格敏感的系統(tǒng)利用步進控制較低的生產(chǎn)成本,，使用現(xiàn)有驅動芯片,。“伺服驅動系統(tǒng)經(jīng)常用于OEM設備中，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補充說,。
重申主題
GE Fanuc控制系統(tǒng)業(yè)務總監(jiān)Connie Chick, 再次重申步進系統(tǒng)只適用于精度不高,，最終定位精度不太重要的運動系統(tǒng)。對于一些簡單的軸,，例如：進刀量,，導軌，和終點擋板等標定系統(tǒng),，步進系統(tǒng)可以很好的運行,。“伺服電機速度高轉矩大。因此,，步進系統(tǒng)在精度要求高和/或轉矩大的高速機器中是不適用的”,。Chick說。
GE Fanuc的發(fā)展重點放在微控制和智能步進電機,。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(wǎng)絡設備輸入命令,。整個系統(tǒng)是由GE Fanuc的小型內置式脈沖/方向輸出控制64位PLC和MotorCube智能步進電機組成,，它并不占用面板的空間。打算使用于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(tǒng)仍有一席之地”,，Chick.說,。GE Fanuc 是步進系統(tǒng)和高性能伺服系統(tǒng)的供應商。
Portescap（Danaher Motion的子公司）同樣注意到了當”大小適宜該應用場合”時,，步進系統(tǒng)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(yōu)勢。”開環(huán)控制,，電機改進使步進系統(tǒng)的價格更加劃算,，”產(chǎn)品經(jīng)理 Dave Beckstoffer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,，有利于步進電機系統(tǒng)整體對電力的需求。”
據(jù)報道,，新的步進電機設計采用釹磁體優(yōu)化扭矩密度,，同時又不增加部件大小。有些時候適用于可疊式步進電機,，據(jù)Beckstoffer說,，用釹鐵硼稀土永磁材料優(yōu)化混合式步進電機扭矩密度還是一種較新的辦法。這些改進也有助于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，類似于標準混合步進電機,。
根據(jù) Motion Tech Trends的研究,，2006年，北美地區(qū)步進運動系統(tǒng)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(chǎn)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,。
使用范圍
根據(jù)SKC,，在無需編碼器閉環(huán)反饋的應用中，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(tǒng)和伺服系統(tǒng)是在平等的基礎競爭上的。“伺服系統(tǒng)在閉環(huán)應用下效果是最好的”,，Bergsma補充說,。
線性步進系統(tǒng)和半導體及光纖制造，引線鍵合機,，激光調阻機,，晶圓探針測試儀器，醫(yī)療設備,， 以及其他應用都有強有力的競爭,，Baldor說。相比其它選擇,，線性步進系統(tǒng)常常因為他們很少需要維修而贏得贊揚,。
“在軸間緊密配合不重要的可控環(huán)境下，任何點對點的應用,，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(yī)療器械系統(tǒng)和其他臺式設備中無數(shù)這樣的應用,。
MTT引用了很多用于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(yè),、電子裝配、線性載物臺,、醫(yī)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于更大尺寸、更強動力汽車傳動系統(tǒng)中,。
Berger Lahr/Schneider Electric提到步進系統(tǒng)的應用目標包括那些低維修和需要低成本解決方案的OEM系統(tǒng),。因為無需太高技能就可以調試步進系統(tǒng)，機器出口商也更喜歡步進系統(tǒng)而非伺服系統(tǒng),。
總之,，基于步進的運動系統(tǒng)仍活躍于市場。整個動力行業(yè)的改進仍在不斷提高,，但是在各種大小的步進系統(tǒng)中,，集成化和低功率仍是人們最關注的問題。
