特种伺服电动机及其驱动器

2018-06-26 37

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本讲将向您介绍最新应用的几种特种伺服电动机及其驱动器:直线电动机及其驱动装置、压电陶瓷电动机及其驱动装置。它们作为新兴的驱动部件，具有广阔的应用和发展前景。

1 直线电动机及其驱动装置

直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动而不需要通过任何中间转换机构的新颖电动机。由直线电动机驱动的直线运动装置和系统具有结构简单、运行可靠、控制方便、智能化程度高等优点。目前在世界范围内，都在加强直线电动机及其驱动装置与系统的研究与应用，如磁悬浮列车、磁浮船、各种流水生产线、各种制造设备的驱动部分、进刀机构、磁盘读取装置、打印机、自动门、军用导弹等各个方面。

在数控机床中，直线电动机驱动的快速进给系统取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，解决了传动机构带来的体积大、效率低、精度差等问题。用直线电动机驱动的X-Y工作台，不仅实现了高速高精度运动，定位精度达±2µm，而且体积小、重量轻，大大减小整体设备的体积和重量。

直线电动机的原理与旋转电动机相似。可以把直线电动机看成是将一台旋转电动机作径向剖开，并沿圆周展开而成。由定子转变而来的一侧称为初级或原边，由转子转变而来的一侧称为次级或副边。为了保证所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，实际应用中将直线电动机的初级与次级做成不同的长度。

交流直线电动机与交流旋转电动机相似，通入三相对称交流电流后，会在气隙中产生磁场，如果不考虑铁心两端的端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是该磁场随三相电流的变化发生平移而不是旋转，因此称作行波磁场。行波磁场与次级相互作用就产生电磁推力。在这个推力作用下，如果初级固定，那么次级就沿着行波磁场运动的方向做直线运动。

直线电动机按结构形式可以分为:扁平形、圆筒形(或管形)、圆盘形和圆弧形四种。按工作原理可以分为:直线直流电动机、直线感应电动机(简称LIM)、交流直线同步电动机(简称LSM)、直线步进电动机(简称LPM)、直线压电电动机及直线磁阻电动机等。按功能用途可以分为:力电动机、功电动机和能电动机。各种直线电动机的驱动方法与对应的旋转电动机相同。直线电动机经常直接与运动体组合在一起，构成直线驱动装置或系统。最常见的是直线电动机平台。如美国BAYSIDE运动集团生产的Micro L和LUGE系列直线电动机平台。

Micro L系列采用铁基、无刷直线电动机设计，可以提供高达4g的加速度和3m/s的速度。往返式导轨提供大的运动承载能力，整合的高精度无接触光栅尺提供高重复定位精度的位置反馈。其行程可达1m，并可多轴配置。直线电动机的最大推力115N，连续推力40N。平台重复定位精度±2µm，精度10～12µm。LUGE系列采用AtuoFlex Preload专利技术，是直线电动机与平台基体的完美组合。根据不同应用场合分为三种类型:高速类型可以提供高达6g的加速度和最大3m/s的速度：高精度类型可提供0.2µm或1µm的重复定位精度，±1µm或±2µm的定位精度(注:实际性能依赖于安装、测试手段和伺服参数)：铁心类型可以提供高达7g的加速度和最大4m/s的速度，而精度有所牺牲，实现4µm或2µm的重复定位精度，±5µm的定位精度。

2 压电陶瓷电动机及其系统

压电陶瓷电动机是基于压电现象产生超声驻波的原理而开发的，应用于运动控制领域的精密电动机，也称超声波电动机。与直流电动机相似，具有高分辨率和压电驱动装置的动态特性。电动机工作时没有内在磁场和运动部件，结构紧凑，行程不受限制，能够达到直线和旋转电动机所不能匹敌的精度。压电陶瓷电动机可用在从普通环境到超高真空环境的半导体设备、平面平台设备、光学纤维制动态元件制造、存储介质制造和测试设备、生物医药和制药、度量衡和超高精度的微型数控等设备中。

图1 压电陶瓷电动机工作原理

HR2

HR3
HR4图2 HR系列陶瓷电动机
图3 AB1A驱动器

压电陶瓷电动机的工作原理如图1所示。给陶瓷电动机输入驱动电压后，压电陶瓷产生压电现象，同时发生的纵向延伸和横向弯曲模式的激励在陶瓷指尖的狭小的椭圆通道里产生二维声波，压挤靠着一个陶瓷条的陶瓷指尖产生一个驱动力，驱动与之接触的陶瓷条带动直线或旋转平台产生运动。但没有驱动电压的时候，陶瓷指尖对陶瓷条的压力使之在运动装置上维持一个保持力矩，而不产生位移和滞后。

产品化的压电陶瓷电动机(如以色列Nanomotion压电陶瓷电动机)的运动控制系统具有如下功能和特点:(1)定位精确，分辨率可达1µm，精度10nm：(2)运动速度平稳，最低10µm/s，最高250mm/s：(3)标准应答时间为50～75µs：(4)整定时间明显优于一般伺服电动机，以0.1µm的分辨率为例，只需1～2ms，为一般伺服电动机的1/10：(5)定位后没有一般伺服电动机存在的晃动问题：(6)重量轻，体积小：(7)行程无限制。Nanomotion压电陶瓷电动机包括HR、LS、STM三种系列。

HR系列(高分辨率系列，如图2) 可以驱动直线或旋转平台，具有很宽的调速范围，从每秒几µm到250mm，可以很容易地安装到传统的低摩擦平台或其它装置，具有特有的制动和消除静止时高频伺服振动的能力。该系列有单头(提供4N推力)、2头、4头和8头(提供32N推力)四种配置，步分辨率为100nm。
LS系列(低速系列高分辨率) 有2头、4头到8头三种配置。可以在定位时以零伺服振动为重复步进和提供稳定的分辨率。步分辨率超过20nm。
STM系列(特殊小体积系列) 是同类电动机中尺寸最小的。在传统机构的小空间内，可为直线或旋转装置提供高分辨率运动控制，适用于细小的步进运动。该系列步进增量10nm以内，工作速度可达250mm/s。驱动力和保持力均为1N，动态调速范围1µm/s～250mm/s。

压电陶瓷电动机必须用专用的放大器。用AB1A单轴驱动放大器(图3)可以驱动一个或并行驱动多个Nanomotion电动机。当工作在闭环伺服系统中时，驱动器作为一个速度放大器来工作，它从控制器接收±10V模拟指令，控制器信号转换成交流电压以39.6kHz频率驱动电动机运动。当工作在一个开环模式中时，放大器能从外部手柄接收信号，提供连续或者步进模式的运动。

Nanomotion压电陶瓷电动机可以与大多数标准的定位平台和伺服控制器相配合。如采用美国DELTATAU公司的PMAC作为伺服控制器，BAYSIDE作为Nanomotion和光子学应用技术配合使用的平台，可以组成一个非常协调可靠的高精度运动控制系统。另外，还可应用于显微镜平台、检测仪器、绘图仪、机器人和自动控制等不同方面。

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