特種伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器

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

　　本講將向您介紹最新應(yīng)用的幾種特種伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器:直線電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置、壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置。它們作為新興的驅(qū)動(dòng)部件，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。
　　1 直線電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置
　　直線電動(dòng)機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)而不需要通過(guò)任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的新穎電動(dòng)機(jī)。由直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)裝置和系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)。目前在世界范圍內(nèi)，都在加強(qiáng)直線電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置與系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，如磁懸浮列車、磁浮船、各種流水生產(chǎn)線、各種制造設(shè)備的驅(qū)動(dòng)部分、進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、磁盤讀取裝置、打印機(jī)、自動(dòng)門、軍用導(dǎo)彈等各個(gè)方面。
　　在數(shù)控機(jī)床中，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的快速進(jìn)給系統(tǒng)取消了源動(dòng)力和工作臺(tái)部件之間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使得機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度為零，解決了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來(lái)的體積大、效率低、精度差等問(wèn)題。用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y工作臺(tái)，不僅實(shí)現(xiàn)了高速高精度運(yùn)動(dòng)，定位精度達(dá)±2μm，而且體積小、重量輕，大大減小整體設(shè)備的體積和重量。
　　直線電動(dòng)機(jī)的原理與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似。可以把直線電動(dòng)機(jī)看成是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)作徑向剖開(kāi)，并沿圓周展開(kāi)而成。由定子轉(zhuǎn)變而來(lái)的一側(cè)稱為初
級(jí)或原邊，由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)變而來(lái)的一側(cè)稱為次級(jí)或副邊。為了保證所需的行程范圍內(nèi)，初級(jí)與次級(jí)之間的耦合能保持不變，實(shí)際應(yīng)用中將直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)與次級(jí)做成不同的長(zhǎng)度。
　　交流直線電動(dòng)機(jī)與交流旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似，通入三相對(duì)稱交流電流后，會(huì)在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，如果不考慮鐵心兩端的端部效應(yīng)，磁場(chǎng)在直線方向呈正弦分布，只是該磁場(chǎng)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(chǎng)。行波磁場(chǎng)與次級(jí)相互作用就產(chǎn)生電磁推力。在這個(gè)推力作用下，如果初級(jí)固定，那么次級(jí)就沿著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向做直線運(yùn)動(dòng)。
　　直線電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)、直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱LIM)、交流直線同步電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱LSM)、直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱LPM)、直線壓電電動(dòng)機(jī)及直線磁阻電動(dòng)機(jī)等。按功能用途可以分為:力電動(dòng)機(jī)、功電動(dòng)機(jī)和能電動(dòng)機(jī)。各種直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法與對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相同。直線電動(dòng)機(jī)經(jīng)常直接與運(yùn)動(dòng)體組合在一起，構(gòu)成直線驅(qū)動(dòng)裝置或系統(tǒng)。最常見(jiàn)的是直線電動(dòng)機(jī)平臺(tái)。如美國(guó)BAYSIDE運(yùn)動(dòng)集團(tuán)生產(chǎn)的Micro L和LUGE系列直線電動(dòng)機(jī)平臺(tái)。
　　Micro L系列采用鐵基、無(wú)刷直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，可以提供高達(dá)4g的加速度和3m/s的速度。往返式導(dǎo)軌提供大的運(yùn)動(dòng)承載能力，整合的高精度無(wú)接觸光柵尺提供高重復(fù)定位精度的位置反饋。其行程可達(dá)1m，并可多軸配置。直線電動(dòng)機(jī)的最大推力115N，連續(xù)推力40N。平臺(tái)重復(fù)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(dòng)機(jī)與平臺(tái)基體的完美組合。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合分為三種類型:高速類型可以提供高達(dá)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(fù)定位精度，±1μm或±2μm的定位精度(注:實(shí)際性能依賴于安裝、測(cè)試手段和伺服參數(shù))：鐵心類型可以提供高達(dá)7g的加速度和最大4m/s的速度，而精度有所犧牲，實(shí)現(xiàn)4μm或2μm的重復(fù)定位精度，±5μm的定位精度。
　　2 壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)
　　壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)是基于壓電現(xiàn)象產(chǎn)生超聲駐波的原理而開(kāi)發(fā)的，應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的精密電動(dòng)機(jī)，也稱超聲波電動(dòng)機(jī)。與直流電動(dòng)機(jī)相似，具有高分辨率和壓電驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)特性。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)沒(méi)有內(nèi)在磁場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，行程不受限制，能夠達(dá)到直線和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)所不能匹敵的精度。壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)可用在從普通環(huán)境到超高真空環(huán)境的半導(dǎo)體設(shè)備、平面平臺(tái)設(shè)備、光學(xué)纖維制動(dòng)態(tài)元件制造、存儲(chǔ)介質(zhì)制造和測(cè)試設(shè)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(shè)備中。

　　圖1 壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)工作原理

　　壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖1所示。給陶瓷電動(dòng)機(jī)輸入驅(qū)動(dòng)電壓后，壓電陶瓷產(chǎn)生壓電現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)生的縱向延伸和橫向彎曲模式的激勵(lì)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(gè)陶瓷條的陶瓷指尖產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)與之接觸的陶瓷條帶動(dòng)直線或旋轉(zhuǎn)平臺(tái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。但沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電壓的時(shí)候，陶瓷指尖對(duì)陶瓷條的壓力使之在運(yùn)動(dòng)裝置上維持一個(gè)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(dòng)機(jī)(如以色列Nanomotion壓電陶瓷電動(dòng)機(jī))的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有如下功能和特點(diǎn):(1)定位精確，分辨率可達(dá)1μm，精度10nm：(2)運(yùn)動(dòng)速度平穩(wěn)，最低10μm/s，最高250mm/s：(3)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答時(shí)間為50～75μs：(4)整定時(shí)間明顯優(yōu)于一般伺服電動(dòng)機(jī)，以0.1μm的分辨率為例，只需1～2ms，為一般伺服電動(dòng)機(jī)的1/10：(5)定位后沒(méi)有一般伺服電動(dòng)機(jī)存在的晃動(dòng)問(wèn)題：(6) 重量輕，體積?。?7)行程無(wú)限制。Nanomotion壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)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(dòng)直線或旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，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(tái)或其它裝置，具有特有的制動(dòng)和消除靜止時(shí)高頻伺服振動(dòng)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。　

　　圖2 HR系列陶瓷電動(dòng)機(jī)

　　2）LS系列(低速系列高分辨率) 有2頭、4頭到8頭三種配置?？梢栽诙ㄎ粫r(shí)以零伺服振動(dòng)為重復(fù)步進(jìn)和提供穩(wěn)定的分辨率。步分辨率超過(guò)20nm。
　　3）STM系列(特殊小體積系列) 是同類電動(dòng)機(jī)中尺寸最小的。在傳統(tǒng)機(jī)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(yùn)動(dòng)控制，適用于細(xì)小的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。該系列步進(jìn)增量10nm以內(nèi)，工作速度可達(dá)250mm/s。驅(qū)動(dòng)力和保持力均為1N，動(dòng)態(tài)調(diào)速范圍1μm/s～250mm/s。

　　圖3 AB1A驅(qū)動(dòng)器

　　壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)必須用專用的放大器。用AB1A單軸驅(qū)動(dòng)放大器(圖3)可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或并行驅(qū)動(dòng)多個(gè)Nano
motion電動(dòng)機(jī)。當(dāng)工作在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中時(shí)，驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)速度放大器來(lái)工作，它從控制器接收±10V模擬指令，控制器信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電壓以39.6kHz頻率驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工作在一個(gè)開(kāi)環(huán)模式中時(shí)，放大器能從外部手柄接收信號(hào)，提供連續(xù)或者步進(jìn)模式的運(yùn)動(dòng)。
　　Nanomotion壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)可以與大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的定位平臺(tái)和伺服控制器相配合。如采用美國(guó)DELTATAU公司的PMAC作為伺服控制器，BAYSIDE作為Nanomotion和光子學(xué)應(yīng)用技術(shù)配合使用的平臺(tái)，可以組成一個(gè)非常協(xié)調(diào)可靠的高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。另外，還可應(yīng)用于顯微鏡平臺(tái)、檢測(cè)儀器、繪圖儀、機(jī)器人和自動(dòng)控制等不同方面。