運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)揭秘 – 動力篇

在選擇運(yùn)動平臺時，首先要考慮的問題之一是選擇合適的驅(qū)動方式。不同驅(qū)動方式?jīng)Q定了平臺的性能，包括大負(fù)載、精度、小步進(jìn)、速度和加速度等參數(shù)。Newport運(yùn)動控制提供了由無刷直驅(qū)電機(jī)、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的平臺，這篇文檔將介紹它們的特性和區(qū)別，幫助您選擇合適的產(chǎn)品。

直流電機(jī)

直流電機(jī)作為基本的控制系統(tǒng)元器件之一，有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)給繞組通電時，轉(zhuǎn)速與電壓成正比，扭矩與電流成正比。直流電機(jī)的大特點是運(yùn)行平穩(wěn)和轉(zhuǎn)速高。直流電機(jī)的線性度非常好、易于控制，動態(tài)范圍一般可以達(dá)到10³至10⁴。同時直流電機(jī)效率較高、有著很好的功率/重量比。與步進(jìn)電機(jī)不同，直流伺服電機(jī)在待機(jī)時一般電流較小。在閉環(huán)位置控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)需配合旋轉(zhuǎn)編碼器使用，當(dāng)對精度要求更高時，可使用負(fù)載位置直接反饋式編碼器和電機(jī)速度計。

使用直流電機(jī)的Newport運(yùn)動平臺產(chǎn)品：高精度GTS和VP-25系列、大負(fù)載MTN-CC和IMS-CC系列、高速轉(zhuǎn)臺URB系列等。

步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)利用磁極的相互吸引和排斥工作，將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動量與脈沖的個數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。驅(qū)動平臺的步進(jìn)電機(jī)定子由多個小齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子由多極永磁鐵組成。步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)的大區(qū)別在于：當(dāng)給直流電機(jī)的繞組加電壓時，會產(chǎn)生扭矩和旋轉(zhuǎn)；但給步進(jìn)電機(jī)加電壓時，只有扭矩產(chǎn)生。為了使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，施加的電流必須換向。直流電機(jī)由電刷換向，但步進(jìn)電機(jī)本身沒有換向裝置，需要由電機(jī)驅(qū)動器來實現(xiàn)。

當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組同時通電時，可以將一個整步細(xì)分為多個小步。這種方法被稱為微步進(jìn)，它可以提高分辨率和改善運(yùn)動的平穩(wěn)性。盡管驅(qū)動器可以進(jìn)行很多細(xì)分，但是對于某款步進(jìn)電機(jī)，有意義的細(xì)分?jǐn)?shù)量是有上限的，該上限決定了運(yùn)動靈敏度的極限。在實際系統(tǒng)中，微步進(jìn)并不等距，隨著電機(jī)和負(fù)載的不同有5%到20%的波動，對平臺低速穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

步進(jìn)電機(jī)經(jīng)常被開環(huán)使用，成本低于閉環(huán)直流伺服電機(jī)。當(dāng)在設(shè)計扭矩和轉(zhuǎn)速下使用時，步進(jìn)電機(jī)可以穩(wěn)定可靠的工作。但當(dāng)超出設(shè)計范圍時，丟步、多步甚至堵轉(zhuǎn)都可能會發(fā)生。在電機(jī)軸上安裝位置傳感器可以監(jiān)測步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。此外，開環(huán)步進(jìn)電機(jī)低速響應(yīng)特性較好，更有利于提高小步進(jìn)（Minimum Incremental Motion）指標(biāo)。

使用步進(jìn)電機(jī)的Newport運(yùn)動平臺產(chǎn)品：ILS-PP和IMS-PP直線系列、高精度FMS-PPHA系列、PPV6系列真空版平臺、集成控制器的FCL和FCR系列等。

無刷直驅(qū)電機(jī)

無刷直驅(qū)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)相比具有眾多優(yōu)勢，逐漸得到更多應(yīng)用。由于沒有傳動機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)摩擦力更小、無回程間隙、重復(fù)性更好并且磨損更小，易于達(dá)到更高的精度。該電機(jī)的磁場由一系列永磁極提供，線圈一般由三相構(gòu)成。與步進(jìn)電機(jī)類似，驅(qū)動器必須具備換向能力。常見的驅(qū)動電流為正弦形式，以保證運(yùn)動的平穩(wěn)。驅(qū)動器或控制器可以通過位于負(fù)載的線性/旋轉(zhuǎn)編碼器或位于線圈的霍爾傳感器反饋得知相位信息，第yi種方式要求控制器在每次加電后尋找相位。

直驅(qū)電機(jī)有兩種不同的設(shè)計：無鐵芯和鐵芯式。

鐵芯式無刷電機(jī)的主要優(yōu)勢是效率高。與同尺寸的無鐵芯電機(jī)相比，發(fā)熱大約少30%到40%、驅(qū)動力高10%到30%。需要注意的是，發(fā)熱是高精度系統(tǒng)的主要誤差來源。該設(shè)計的主要劣勢是由線圈和磁極吸引產(chǎn)生的周期性力/力矩波動，對速度穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。但對于像XPS的高性能運(yùn)動控制器，當(dāng)速度達(dá)到100 mm/s時，這種波動幾乎不可見。速度更高時，由XPS控制器驅(qū)動的IMS-LM平臺可以實現(xiàn)±0.2%的速度穩(wěn)定性。

無鐵芯式無刷電機(jī)的磁極一般呈U形安裝，線圈在磁鐵間運(yùn)動。這種設(shè)計的速度穩(wěn)定性更好，系統(tǒng)的電氣時間常數(shù)更小，帶寬更高，動態(tài)性能更好，微步進(jìn)性能*。但是需要的永磁鐵數(shù)量更多，因此成本較高、重量更高。XM系列平臺采用了這種設(shè)計，小步進(jìn)（Minimum Incremental Motion）低至1 nm。

使用無刷直驅(qū)電機(jī)的Newport運(yùn)動平臺產(chǎn)品：超高精度XM系列、高速工業(yè)級IDL系列、ILS-LM和IMS-LM系列、高速轉(zhuǎn)臺RGV系列等。

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