直線運動系統(tǒng)存在于無數(shù)機器中，僅舉幾個例子，包括精密激光切割系統(tǒng)、實驗室自動化設(shè)備、半導(dǎo)體制造機器、CNC機器、工廠自動化和許多其他設(shè)備。它們從相對簡單的(如乘用車中的廉價座椅致動器)到復(fù)雜的多軸坐標(biāo)系，包括用于閉環(huán)定位的控制和驅(qū)動電子設(shè)備。無論多簡單或多復(fù)雜的直線運動系統(tǒng)，在最基本的層面上，它們都有一個共同點：在特定的時間內(nèi)將負載移動一段直線距離。

　　設(shè)計直線運動系統(tǒng)最常見的問題之一是電機技術(shù)。技術(shù)一旦選定，電機的尺寸需要滿足負載加速的要求，克服系統(tǒng)摩擦力和重力的影響，同時保持安全的最高工作溫度。電機的扭矩、速度、功率和定位能力是電機設(shè)計、驅(qū)動和控制的函數(shù)。

　　一、應(yīng)該從什么電機入手？

　　用特定電機技術(shù)設(shè)計直線運動系統(tǒng)時，需要考慮很多應(yīng)用問題。對整個過程的詳細解釋超出了本文的范圍。目的是讓你在與汽車供應(yīng)商交談時考慮問正確的問題。

　　沒有適合所有應(yīng)用的最佳電機，但有適合特定應(yīng)用的最佳電機。在大多數(shù)增量運動應(yīng)用中，可以選擇步進電機、無刷DC電機或無刷DC電機。最復(fù)雜的運動系統(tǒng)可以使用直接耦合到負載的線性電機，避免了機械功率轉(zhuǎn)換的需要；不需要通過螺桿/滾珠螺桿、齒輪箱或滑輪系統(tǒng)進行平移。雖然具有無芯直接驅(qū)動的線性伺服系統(tǒng)可以實現(xiàn)最高的精度、可重復(fù)性和定位分辨率，但是與旋轉(zhuǎn)電機相比，它們具有最高的成本和復(fù)雜性。使用旋轉(zhuǎn)電機的架構(gòu)要便宜得多，可以滿足大多數(shù)直線運動應(yīng)用。

　　步進電機、有刷電機、無刷電機都視為DC電機；然而，有一些微妙之處會導(dǎo)致工程師在特定應(yīng)用中更喜歡一種類型而不是另外兩種類型。必須強調(diào)的是，這種選擇高度依賴于系統(tǒng)的設(shè)計要求，不僅在速度和扭矩方面，而且在定位精度、可重復(fù)性和分辨率方面。沒有適用于所有應(yīng)用的完美電機，所有決策都需要在設(shè)計中進行權(quán)衡。在最基本的層面上，所有電機，無論是交流電機還是DC電機、有刷電機、無刷電機或任何其他電機，都是根據(jù)相同的物理原理來產(chǎn)生扭矩的：磁場的相互作用。然而，這些不同電機技術(shù)在具體應(yīng)用中的響應(yīng)模式存在巨大差異。

　　步進、有刷伺服和無刷伺服電機技術(shù)都采用DC電源供電。對于線性運動應(yīng)用，這并不意味著固定的DC電源可以直接應(yīng)用于電機繞組。需要電子設(shè)備來控制繞組電流(與輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān))和繞組電壓(與輸出速度有關(guān))。這三種技術(shù)的優(yōu)缺點總結(jié)如下。線性系統(tǒng)的設(shè)計從負載質(zhì)量和負載從A點移動到b點所需的速度開始。電機類型、尺寸和機械設(shè)計從移動負載所需的功率(瓦特)開始。從負載開始，最后通過所有組件返回到驅(qū)動電源，分析是一系列步驟，以了解從系統(tǒng)的一部分到另一部分的功率轉(zhuǎn)換，同時考慮中間組件的各種效率。以電壓和電流形式進入驅(qū)動器的功率最終會轉(zhuǎn)換為機械輸出功率，在特定時間內(nèi)驅(qū)動給定的負載。

　　為了獲得負載所需輸出功率的指示，簡單的功率計算將有助于電機運行。知道了所需的平均輸出功率后，再回到電機，驅(qū)動各種功率轉(zhuǎn)換元件，就完成了功率需求的分析。應(yīng)參考制造商的數(shù)據(jù)來考慮各種組件的效率，因為這將最終決定電機和電源的大小。

　　二、在要求的時間內(nèi)移動負載需要多少功率？

　　克服重力舉起一個9公斤重的物體大約需要88N的力。計算移動負載所需的功率將為確定系統(tǒng)其余部分的組件提供一個起點。這是在1秒鐘內(nèi)將9公斤的質(zhì)量從A點垂直移動到B點所需的平均功率。包括諸如非摩擦的系統(tǒng)損失。根據(jù)系統(tǒng)中使用的其他部件，如齒輪箱和絲杠，所需的電機軸功率會略高。

　　P=(F  S)/t

　　P=(88N  0.2m)/1.0s=17.64w

　　這不同于系統(tǒng)所需的峰值功率。一旦考慮到加速和減速，運動曲線中的瞬時功率會略高；然而，負載所需的平均輸出功率約為18瓦。在對所有組件進行徹底分析后，像這樣的系統(tǒng)將需要大約37w的峰值功率來完成這項工作。這些信息和各種其他應(yīng)用規(guī)范現(xiàn)在將有助于選擇最合適的電機技術(shù)。

　　三、應(yīng)該考慮什么樣的電機技術(shù)？

　　出色的定位能力和相對簡單的控制會引導(dǎo)設(shè)計者首先考慮使用步進電機的可能性。然而，步進電機在滿足負載需求的同時，不能滿足小型機械占地面積的要求。37W的峰值功率要求將需要非常大的步進電機。雖然步進電機在低速時具有非常高的扭矩，但運動曲線的峰值速度和功率要求超過了除最大步進電機之外的所有步進電機的能力。

　　有刷DC伺服電機會滿足負載要求，機械占地面積小，低速旋轉(zhuǎn)非常穩(wěn)定；然而，由于嚴格的EMC要求，最好避免在這種特殊應(yīng)用中使用有刷電機。與無刷系統(tǒng)相比，這將是一種更便宜的替代方案，但可能很難通過任何嚴格的EMC要求。采用正弦驅(qū)動系統(tǒng)的無刷DC電機將是滿足所有應(yīng)用要求的首選，包括負載和運動曲線(高功率密度)；低速平穩(wěn)無齒輪運動；和小的機械足跡。在這種情況下，由于高頻開關(guān)驅(qū)動電子設(shè)備，仍然存在潛在的EMI特性；但由于頻帶較窄，可以采用在線濾波來緩解這種情況。有刷DC電機具有更寬的EMI特性，這使得其濾波更具挑戰(zhàn)性。

　　四、電機選擇只是開始

　　在本文中，我們簡要討論了設(shè)計人員在為相對簡單的直線運動應(yīng)用選擇電機技術(shù)時需要考慮的各種因素。雖然對于更復(fù)雜的系統(tǒng)(如XY工作臺或多軸精密機構(gòu))原理是一樣的，但需要單獨分析各軸的負載。本文范圍之外的另一個考慮因素是如何選擇合適的安全系數(shù)來滿足系統(tǒng)的預(yù)期壽命(循環(huán)次數(shù))。系統(tǒng)的壽命不僅取決于電機的大小，還取決于系統(tǒng)中的其他機械部件，如齒輪箱和螺桿組件。其他因素如定位精度、分辨率、可重復(fù)性、最大滾動、俯仰和偏航等。

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