特種伺服電動機及其驅(qū)動器

摘要：本講將向您介紹最新應用的幾種特種伺服電動機及其驅(qū)動器:直線電動機及其驅(qū)動裝置、壓電陶瓷電動機及其驅(qū)動裝置。它們作為新興的驅(qū)動部件，具有廣闊的應用和發(fā)展前景。

　　本講將向您介紹最新應用的幾種特種伺服電動機及其驅(qū)動器:直線電動機及其驅(qū)動裝置、壓電陶瓷電動機及其驅(qū)動裝置。它們作為新興的驅(qū)動部件，具有廣闊的應用和發(fā)展前景。
　　1 直線電動機及其驅(qū)動裝置
　　直線電動機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動而不需要通過任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的新穎電動機。由直線電動機驅(qū)動的直線運動裝置和系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、控制方便、智能化程度高等優(yōu)點。目前在世界范圍內(nèi)，都在加強直線電動機及其驅(qū)動裝置與系統(tǒng)的研究與應用，如磁懸浮列車、磁浮船、各種流水生產(chǎn)線、各種制造設備的驅(qū)動部分、進刀機構(gòu)、磁盤讀取裝置、打印機、自動門、軍用導彈等各個方面。
　　在數(shù)控機床中，直線電動機驅(qū)動的快速進給系統(tǒng)取消了源動力和工作臺部件之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，使得機床進給傳動鏈的長度為零，解決了傳動機構(gòu)帶來的體積大、效率低、精度差等問題。用直線電動機驅(qū)動的X-Y工作臺，不僅實現(xiàn)了高速高精度運動，定位精度達±2μm，而且體積小、重量輕，大大減小整體設備的體積和重量。
　　直線電動機的原理與旋轉(zhuǎn)電動機相似?？梢园阎本€電動機看成是將一臺旋轉(zhuǎn)電動機作徑向剖開，并沿圓周展開而成。由定子轉(zhuǎn)變而來的一側(cè)稱為初
級或原邊，由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)變而來的一側(cè)稱為次級或副邊。為了保證所需的行程范圍內(nèi)，初級與次級之間的耦合能保持不變，實際應用中將直線電動機的初級與次級做成不同的長度。
　　交流直線電動機與交流旋轉(zhuǎn)電動機相似，通入三相對稱交流電流后，會在氣隙中產(chǎn)生磁場，如果不考慮鐵心兩端的端部效應，磁場在直線方向呈正弦分布，只是該磁場隨三相電流的變化發(fā)生平移而不是旋轉(zhuǎn)，因此稱作行波磁場。行波磁場與次級相互作用就產(chǎn)生電磁推力。在這個推力作用下，如果初級固定，那么次級就沿著行波磁場運動的方向做直線運動。
　　直線電動機按結(jié)構(gòu)形式可以分為:扁平形、圓筒形(或管形)、圓盤形和圓弧形四種。按工作原理可以分為:直線直流電動機、直線感應電動機(簡稱LIM)、交流直線同步電動機(簡稱LSM)、直線步進電動機(簡稱LPM)、直線壓電電動機及直線磁阻電動機等。按功能用途可以分為:力電動機、功電動機和能電動機。各種直線電動機的驅(qū)動方法與對應的旋轉(zhuǎn)電動機相同。直線電動機經(jīng)常直接與運動體組合在一起，構(gòu)成直線驅(qū)動裝置或系統(tǒng)。最常見的是直線電動機平臺。如美國BAYSIDE運動集團生產(chǎn)的Micro L和LUGE系列直線電動機平臺。
　　Micro L系列采用鐵基、無刷直線電動機設計，可以提供高達4g的加速度和3m/s的速度。往返式導軌提供大的運動承載能力，整合的高精度無接觸光柵尺提供高重復定位精度的位置反饋。其行程可達1m，并可多軸配置。直線電動機的最大推力115N，連續(xù)推力40N。平臺重復定位精度±2μm，精度10～12μm。LUGE系列采用AtuoFlex Preload專利技術(shù)，是直線電動機與平臺基體的完美組合。根據(jù)不同應用場合分為三種類型:高速類型可以提供高達6g的加速度和最大3m/s的速度：高精度類型可提供0.2μm或1μm的重復定位精度，±1μm或±2μm的定位精度(注:實際性能依賴于安裝、測試手段和伺服參數(shù))：鐵心類型可以提供高達7g的加速度和最大4m/s的速度，而精度有所犧牲，實現(xiàn)4μm或2μm的重復定位精度，±5μm的定位精度。
　　2 壓電陶瓷電動機及其系統(tǒng)
　　壓電陶瓷電動機是基于壓電現(xiàn)象產(chǎn)生超聲駐波的原理而開發(fā)的，應用于運動控制領(lǐng)域的精密電動機，也稱超聲波電動機。與直流電動機相似，具有高分辨率和壓電驅(qū)動裝置的動態(tài)特性。電動機工作時沒有內(nèi)在磁場和運動部件，結(jié)構(gòu)緊湊，行程不受限制，能夠達到直線和旋轉(zhuǎn)電動機所不能匹敵的精度。壓電陶瓷電動機可用在從普通環(huán)境到超高真空環(huán)境的半導體設備、平面平臺設備、光學纖維制動態(tài)元件制造、存儲介質(zhì)制造和測試設備、生物醫(yī)藥和制藥、度量衡和超高精度的微型數(shù)控等設備中。

　　圖1 壓電陶瓷電動機工作原理

　　壓電陶瓷電動機的工作原理如圖1所示。給陶瓷電動機輸入驅(qū)動電壓后，壓電陶瓷產(chǎn)生壓電現(xiàn)象，同時發(fā)生的縱向延伸和橫向彎曲模式的激勵在陶瓷指尖的狹小的橢圓通道里產(chǎn)生二維聲波，壓擠靠著一個陶瓷條的陶瓷指尖產(chǎn)生一個驅(qū)動力，驅(qū)動與之接觸的陶瓷條帶動直線或旋轉(zhuǎn)平臺產(chǎn)生運動。但沒有驅(qū)動電壓的時候，陶瓷指尖對陶瓷條的壓力使之在運動裝置上維持一個保持力矩，而不產(chǎn)生位移和滯后。
　　產(chǎn)品化的壓電陶瓷電動機(如以色列Nanomotion壓電陶瓷電動機)的運動控制系統(tǒng)具有如下功能和特點:(1)定位精確，分辨率可達1μm，精度10nm：(2)運動速度平穩(wěn)，最低10μm/s，最高250mm/s：(3)標準應答時間為50～75μs：(4)整定時間明顯優(yōu)于一般伺服電動機，以0.1μm的分辨率為例，只需1～2ms，為一般伺服電動機的1/10：(5)定位后沒有一般伺服電動機存在的晃動問題：(6) 重量輕，體積小：(7)行程無限制。Nanomotion壓電陶瓷電動機包括HR、LS、STM三種系列。
　　1）HR系列(高分辨率系列，如圖2) 可以驅(qū)動直線或旋轉(zhuǎn)平臺，具有很寬的調(diào)速范圍，從每秒幾μm到250mm，可以很容易地安裝到傳統(tǒng)的低摩擦平臺或其它裝置，具有特有的制動和消除靜止時高頻伺服振動的能力。該系列有單頭(提供4N推力)、2頭、4頭和8頭(提供32N推力)四種配置，步分辨率為100nm?！?/p>

　　圖2 HR系列陶瓷電動機

　　2）LS系列(低速系列高分辨率) 有2頭、4頭到8頭三種配置。可以在定位時以零伺服振動為重復步進和提供穩(wěn)定的分辨率。步分辨率超過20nm。
　　3）STM系列(特殊小體積系列) 是同類電動機中尺寸最小的。在傳統(tǒng)機構(gòu)的小空間內(nèi)，可為直線或旋轉(zhuǎn)裝置提供高分辨率運動控制，適用于細小的步進運動。該系列步進增量10nm以內(nèi)，工作速度可達250mm/s。驅(qū)動力和保持力均為1N，動態(tài)調(diào)速范圍1μm/s～250mm/s。

　　圖3 AB1A驅(qū)動器

　　壓電陶瓷電動機必須用專用的放大器。用AB1A單軸驅(qū)動放大器(圖3)可以驅(qū)動一個或并行驅(qū)動多個Nano
motion電動機。當工作在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中時，驅(qū)動器作為一個速度放大器來工作，它從控制器接收±10V模擬指令，控制器信號轉(zhuǎn)換成交流電壓以39.6kHz頻率驅(qū)動電動機運動。當工作在一個開環(huán)模式中時，放大器能從外部手柄接收信號，提供連續(xù)或者步進模式的運動。
　　Nanomotion壓電陶瓷電動機可以與大多數(shù)標準的定位平臺和伺服控制器相配合。如采用美國DELTATAU公司的PMAC作為伺服控制器，BAYSIDE作為Nanomotion和光子學應用技術(shù)配合使用的平臺，可以組成一個非常協(xié)調(diào)可靠的高精度運動控制系統(tǒng)。另外，還可應用于顯微鏡平臺、檢測儀器、繪圖儀、機器人和自動控制等不同方面。