从步进机电看我国运动控制技术发展

随着我国制造业市场的全球化，在市场空间增加的同时，也对制造业的技术和装备提出了更高的要求，这给运动控制技术的推广和高水平应用带来了契机。根据中国市场研究报告，伺服和运动控制器的市场增长率在未来数年均保持在10%以上，显示出良好的发展前景。在此背景下，国内逐步成长了一批专业的运动控制公司，他们或供应产品，或提供系统集成，同样处于高速成长期。成都步进机电正是这样一支生力军。
　　近日，采访到了成都步进机电有限公司市场总监闫砺锋先生（简称闫先生），作为我国自主运动控制产品的优秀代表，看步进机电，似管中窥豹，可以领略我国运动控制技术研发与应用的现状与发展。

记者：成都步进机电有限公司是一家以技术为依托的专业运动控制公司，自1997年成立以来，从区域型贸易销售公司发展成为以自主产品研发为主的高科技企业，请简单介绍公司的发展情况。
　　闫先生：成都步进机电自1997年成立以来，倾力投入于运动控制产品的应用推广及研制开发。历经近十年的执着使我们从一家本地贸易公司发展成为以技术为依托的面向全国市场的专业运动控制公司。为客户提供以运动控制技术为核心的全套运动控制解决方案是我们不懈努力的方向，成为国内外一流的专业运动控制公司是我们不变的目标。
　　公司取得的成绩及今后的发展主要依赖于以下三个方面：
　　1，强烈的服务意识
　　“服务客户是我们存在的唯一理由”这一理念已在全公司深入人心，公司在北京、上海、深圳、沈阳、武汉、西安、重庆、成都等地都设有分公司或办事机构，服务网络覆盖全国各主要地区。
　　2，合理、明晰的产权结构
　　成都步进机电是一家真正意义上的股分制企业，股东为十多位公司核心人员，公司财务状况对所有股东完全透明、公开。
　　3，人才的年龄结构和知识结构
　　公司平均年龄仅为30岁左右，40%的员工拥有博士或硕士学位，一个年轻团队强烈的进取心和客户的满意度共同构成了公司发展的源动力。
记者：成都步进机电的业务涉及运动控制产品的代理销售和自主产品研发，请问在这两者间，贵公司更倾向于朝哪个方向发展？为什么？
　　闫先生：步进机电公司的目标是“促进各应用行业运动控制技术的进步，为行业客户提供以运动控制器为核心的完善系统解决方案”，而发展拥有自主知识产权的核心运动控制技术是我们实现目标的基础，所以我们会更侧重于自主产品的开发与生产。我们将一如既往地扎根一个个应用行业，加大基础研发和应用研发的力度，和行业客户、业界朋友一起推动国内运动控制技术的进步。
　　同时，我们也和一些欧美著名运动控制厂商保持紧密合作，代理销售进口运动控制产品。一方面丰富我们的产品结构，将国外先进运动控制产品推介给行业用户，为客户提供更完美的运动控制配套方案；另一方面开阔我们的视野，跟踪国外先进运动控制技术发展趋势，了解差距，促进自身产品研发技术水平提高。
记者：成都步进机电同时提供精密步进和伺服控制产品，而许多人认为步进控制已经进入夕阳阶段，将逐渐被伺服控制取代，您怎么看待？
　　闫先生：步进电机和伺服电机是运动控制系统中最具代表性的两种执行电动机，都广泛应用于各种运动控制系统中。
　　与步进电机相比，伺服电机在性能上有许多优势。如：
　　1，采用闭环控制，不会产生失步等问题；
　　2，采用高精度编码器等反馈元件进行位置检测，控制分辨率更高；
　　3，额定转速更高，一般为2000/3000rpm，有的甚至高达10000rpm，远远高于一般步进电机能达到的工作转速；
　　4，动态响应性能更好，能轻松满足高速、高节拍运动要求；
　　5，过载能力更强，伺服电机一般都具有速度、扭矩过载能力，能轻松应对设备工作过程中负载波动，和惯性负载的快速启动。
　　6，运行平稳，不会出现步进电机低速共振的现象。
　　另外，许多伺服驱动器都具有全数字控制接口，可直接用步进方式（脉冲/方向）控制，
　　控制方式简单；在系统调试方面，越来越多的伺服驱动器都提供智能化、自适应的增益调整功能，使伺服系统更加简单易用。
　　正是由于具有上述诸多优点，伺服电机在许多追求高精度、高效率的设备中得到越来越广泛的应用，并在很大程度上取代了传统的步进电机。从2006年涌现的多家国内伺服系统制造商和多家国外伺服品牌相继进入国内市场，也可以看出伺服控制应用日益增长的态势。
　　但步进电机也并不是完全没有生存空间。与伺服电机相比，步进电机毕竟还是具有成本低廉、系统组成简单、无需参数调整、调试简单等特点。在一些对精度、速度、响应要求不高的设备，特别是一些小功率、小型化设备上仍然得到非常广泛的应用。
　　另外，在一些特殊场合的应用，步进电机具有伺服电机所不能替代的性能。
　　比如在云台图像采集设备中，要求在成像时运动机构保持绝对静止，另外在一些高精度测量设备中也会有类似的零速稳定性要求。伺服系统在运动结束后由于仍然在继续其动态PID调节过程，会有振颤现象，对清晰成像或准确测量极其不利。而步进电机在运动停止时，其转子能保持绝对静止，可以很好地满足这种零速稳定性要求。
　　伺服电机在定位完成的时候，常常会产生不同程度的位置过冲。在某些场合，如纳米制造或半导体加工设备，这种过冲是不允许的。而利用步进电机就可以很好地控制位置过冲，并可在运动结束后纠正位置偏差。
　　为了改善步进电机失步，高速扭矩衰减等问题，采用有源阻尼和无编码器堵转检测技术的闭环步进控制技术正逐步得到应用，并已有相应的产品推向市场，如Oriental公司的αStep系列产品、Parker Hannifan/Compumotor公司的Gemini系列微步驱动产品等。相信经过持续的改进和升级，堵转检测和抗谐振技术将与今天的微步技术一样得到普及，从而使步进电机性能得到大大提升。
记者：与欧美等发达国家相比，国内的运动控制技术还相对比较落后。作为专业的运动控制技术公司，请谈谈目前国内运动控制技术、产品和应用方面存在那些瓶颈？怎样克服？
　　闫先生：运动控制器的技术水平主要体现在三个层面：硬件方案、核心控制算法以及应用软件功能。国内运动控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距，有的甚至更加先进。与欧美发达国家相比，国内运动控制器的差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。
　　许多欧美运动控制器制造商历经多年积累，提供许多先进的控制算法，如伺服调节、PVT算法、样条插补、反向运动学算法、龙门双驱动算法、空间圆弧插补、速度前瞻和轨迹拟合，以及电子齿轮、电子凸轮、虚拟轴、高速位置锁存、位置比较输出等。国内运动控制器在这方面还存在较大差距，有的甚至处于起步阶段。
　　国外很多先进的运动控制器都提供方便易用的二次开发、调试平台，针对行业应用提供了丰富的功能模块，将复杂的算法“打包”后以简单的接口提供给客户，降低了二次开发的难度。另外，许多国外运动控制器都提供易学易用的“代码编辑和生成系统”，提供简单明了的指令集。让二次开发人员可以“望文生意”，在短时间内掌握开发调试方法。而国内大多数运动控制器提供的开发包都是运动控制函数，缺少专门的程序编译调试环境，需要二次开发人员用VB、VC在等高级编程语言调用这些控制函数。这需要二次开发人员首先要掌握这些编程语言，而且还需要具备Windows环境下的编程技巧，在一定程度上限制了运动控制产品应用推广。
　　另外，国内厂商提供的通用运动控制器大多基于“PC+运动控制卡”的结构模式，而在很多自动化设备中，由于更高的控制实时性、更高的可靠性等要求，或现场环境、安装空间等因素的限制，不允许采用这种PC-Based的运动控制器。许多国外先进运动控制器制造商都提供基于ARM技术或DSP技术的独立式运动控制器，可大大提高运动控制系统的控制实时性和可靠性。同时这些独立式控制器提供丰富的通讯接口（如Modbus、USB、Ethernet，DeviceNet、Profibus、CANopen等），可方便地与其他设备交换数据。
　　面对这些产品技术方面的差距，我们需要扎根行业应用，在不断解决一个个行业应用难题的同时，归纳其中的共性问题，对一些核心算法进行深入研究，不断积累。另外，我们还应该通过和国外运动控制公司紧密合作，借鉴他们多年积累的经验，逐步缩小差距。
　　而在运动控制器产品应用方面，国内还处于起步阶段，与欧美发达国家相比，政府在这方面的投入也很少，高等院校的教育涉及很少，缺乏能够开发和应用运动控制器的人才。在市场推广过程中碰到的最大困难就是系统集成商和设备制造商缺乏应用工程师，使得运动控制器的应用工作受阻，售后技术支持难度加大。因此，培养大量运动控制器开发应用人才是加快我国运动控制产业发展的关键。
记者：您认为运动控制领域在未来几年内技术上将有哪些突破？发展趋势如何？成都步进机电的长远发展目标和战略举措是什么？
　　闫先生：对国外发达国家而言，运动控制技术已相对稳定成熟。这个领域的发展也许更多意义上取决于它和其他领域技术的有机结合。和很多行业类似，运动控制行业的发展可能也会应验“分久必合，合久必分”这句古话。随着各种单一技术，单一产品的稳定成熟，必然有公司会将它们组合到一起去服务一个个应用领域从而提高其竞争优势。经历一段时间后，随着新的技术突破，这种组合又将妨碍生产力的发展，导致由合到分。
　　就全球运动控制行业而言，现在大的趋势是整合：做驱动的公司会考虑在驱动器上增加控制功能，而做控制器的公司又会考虑和驱动器公司配套合作，甚至有些被其收购。更值得一提的是，运动控制技术越来越多地被整合在自动化控制这个更大的平台上发展。美国MEI、德国Berger Lahr 等运动控制公司相继被全球性自动化公司收购就又是一些整合的例证。
　　为客户提供以运动控制器为核心的全套运动控制解决方案是我们不懈努力的方向；成为国内外一流的专业运动控制公司是我们不变的目标。我们将继续扎根一个个运动控制应用行业并充分和国外同行在市场技术等方面紧密合作，为行业客户提供最优的方案和性价比最高的产品。