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運動平臺結構揭秘 – 動力篇
更新時間:2020-08-06   點擊次數:2007次

運動平臺結構揭秘 – 動力篇

在選擇運動平臺時,首先要考慮的問題之一是選擇合適的驅動方式。不同驅動方式決定了平臺的性能,包括大負載、精度、小步進、速度和加速度等參數。Newport運動控制提供了由無刷直驅電機、直流電機和步進電機驅動的平臺,這篇文檔將介紹它們的特性和區別,幫助您選擇合適的產品。

 

直流電機

直流電機作為基本的控制系統元器件之一,有著廣泛的應用。當給繞組通電時,轉速與電壓成正比,扭矩與電流成正比。直流電機的大特點是運行平穩和轉速高。直流電機的線性度非常好、易于控制,動態范圍一般可以達到103104。同時直流電機效率較高、有著很好的功率/重量比。與步進電機不同,直流伺服電機在待機時一般電流較小。在閉環位置控制系統中,直流電機需配合旋轉編碼器使用,當對精度要求更高時,可使用負載位置直接反饋式編碼器和電機速度計。

 

使用直流電機的Newport運動平臺產品:高精度GTSVP-25系列、大負載MTN-CCIMS-CC系列、高速轉臺URB系列等。

 

步進電機

 

步進電機利用磁極的相互吸引和排斥工作,將電脈沖信號轉化為電機軸的轉動。轉動量與脈沖的個數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。驅動平臺的步進電機定子由多個小齒構成,轉子由多極永磁鐵組成。步進電機與直流電機的大區別在于:當給直流電機的繞組加電壓時,會產生扭矩和旋轉;但給步進電機加電壓時,只有扭矩產生。為了使電機旋轉,施加的電流必須換向。直流電機由電刷換向,但步進電機本身沒有換向裝置,需要由電機驅動器來實現。

 

當給步進電機的兩相繞組同時通電時,可以將一個整步細分為多個小步。這種方法被稱為微步進,它可以提高分辨率和改善運動的平穩性。盡管驅動器可以進行很多細分,但是對于某款步進電機,有意義的細分數量是有上限的,該上限決定了運動靈敏度的極限。在實際系統中,微步進并不等距,隨著電機和負載的不同有5%20%的波動,對平臺低速穩定性產生影響。

 

步進電機經常被開環使用,成本低于閉環直流伺服電機。當在設計扭矩和轉速下使用時,步進電機可以穩定可靠的工作。但當超出設計范圍時,丟步、多步甚至堵轉都可能會發生。在電機軸上安裝位置傳感器可以監測步進電機的運行狀態。此外,開環步進電機低速響應特性較好,更有利于提高小步進(Minimum Incremental Motion)指標。

 

使用步進電機的Newport運動平臺產品:ILS-PPIMS-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FCLFCR系列等。

 

無刷直驅電機

 

無刷直驅結構與傳統機械結構相比具有眾多優勢,逐漸得到更多應用。由于沒有傳動機構,系統摩擦力更小、無回程間隙、重復性更好并且磨損更小,易于達到更高的精度。該電機的磁場由一系列永磁極提供,線圈一般由三相構成。與步進電機類似,驅動器必須具備換向能力。常見的驅動電流為正弦形式,以保證運動的平穩。驅動器或控制器可以通過位于負載的線性/旋轉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。

 

直驅電機有兩種不同的設計:無鐵芯和鐵芯式。

 

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

 

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

使用無刷直驅電機的Newport運動平臺產品:超高精度XM系列、高速工業級IDL系列、ILS-LMIMS-LM系列、高速轉臺RGV系列等。

 

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