氣動(dòng)(氣壓)氣缸由于其低的每軸成本和高速/強(qiáng)制能力而被廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化。他們?cè)谧詣?dòng)化行業(yè)中是受歡迎的主力軍已有悠久的歷史。但是，有很多理由使用電動(dòng)執(zhí)行器代替氣缸：減少機(jī)器停機(jī)時(shí)間，減少能耗，提高精度和提高速度。另外，電致動(dòng)器可以由伺服或步進(jìn)電機(jī)與控制設(shè)備一起提供動(dòng)力，以提供線性運(yùn)動(dòng)。

　　電動(dòng)直線執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)

　　減少停機(jī)時(shí)間。電動(dòng)線性執(zhí)行器(無論是螺桿驅(qū)動(dòng)還是皮帶驅(qū)動(dòng))的維護(hù)成本都很低。潤滑可能是唯一必要的常規(guī)維護(hù)，并且在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整個(gè)使用壽命期間，對(duì)許多螺桿驅(qū)動(dòng)型號(hào)進(jìn)行了潤滑。

　　電動(dòng)執(zhí)行器通常使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)來產(chǎn)生扭矩。由于兩個(gè)電動(dòng)機(jī)均為無刷電動(dòng)機(jī)，因此除負(fù)載軸承外，轉(zhuǎn)子與定子之間沒有接觸。這消除了電動(dòng)機(jī)的維護(hù)，并允許電動(dòng)機(jī)的壽命等于軸承的壽命。

　　另一方面，必須定期停用氣缸以進(jìn)行重建或更換。在全負(fù)荷運(yùn)行期間，根據(jù)氣缸的類型，氣缸可能需要每月至少進(jìn)行一次更換或更換。重建包括清潔;檢查磨損或刮擦的物品;更換密封件，墊子和襯套;并重新涂抹油脂。還必須識(shí)別并修理管路和配件中的漏氣。這種維護(hù)需要幾個(gè)小時(shí)的停機(jī)時(shí)間，這會(huì)因生產(chǎn)損失而增加成本。

　　減少能源消耗。節(jié)能的“綠色機(jī)器”趨勢促使制造商考慮一段時(shí)間內(nèi)的能源使用情況。伺服驅(qū)動(dòng)的線性電動(dòng)執(zhí)行器僅消耗執(zhí)行編程運(yùn)動(dòng)所需的能量。空閑時(shí)消耗很少的能量。

　　步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中可能以其額定電流的100%運(yùn)行，并且還具有相當(dāng)大的穩(wěn)態(tài)保持電流。該保持電流會(huì)浪費(fèi)能量，因?yàn)闊o論是否進(jìn)行任何工作，它都會(huì)將轉(zhuǎn)子鎖定在某個(gè)位置。但是，許多步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器可以將電流減小到最小水平。

　　氣動(dòng)缸通常超大尺寸，因?yàn)榇罂趶礁椎某杀究赡懿粫?huì)更高。如果壓縮機(jī)的尺寸不正確，或者沒有監(jiān)測和控制空氣泄漏，則氣動(dòng)執(zhí)行器系統(tǒng)會(huì)消耗大量能量。氣動(dòng)系統(tǒng)只有在根據(jù)所用氣缸的數(shù)量正確確定尺寸并且應(yīng)用的占空比較高時(shí)才有效。

　　提高了精度和速度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，工程師和最終用戶需要以更低的成本獲得更多功能。在工業(yè)自動(dòng)化的情況下，這意味著產(chǎn)品必須更快地流經(jīng)生產(chǎn)線，并滿足日益嚴(yán)格的規(guī)格要求，同時(shí)最大程度地減少機(jī)器停機(jī)時(shí)間和能耗。

　　電動(dòng)線性執(zhí)行器可以滿足這些要求，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁?duì)位置，速度和力的更多控制。高分辨率反饋設(shè)備如今很常見，并且可以輕松實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的精度。先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)器調(diào)整功能可以補(bǔ)償負(fù)載變化，慣性和防止機(jī)械共振等情況。電動(dòng)執(zhí)行器制造商通常會(huì)提供尺寸調(diào)整軟件，以根據(jù)應(yīng)用精確調(diào)整電動(dòng)執(zhí)行器的尺寸，并選擇具有足夠扭矩以達(dá)到所需速度的電動(dòng)機(jī)。

　　選擇步進(jìn)或伺服

　　在為電動(dòng)直線執(zhí)行器選擇電機(jī)時(shí)，電機(jī)類型是主要考慮因素。電動(dòng)執(zhí)行器有兩種常見的電動(dòng)機(jī)選擇：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)，每種都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。

　　步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是在開環(huán)位置控制中可以得到精確控制。開環(huán)控制意味著不需要反饋信息來定位電機(jī)。由于不需要位置反饋傳感器或相關(guān)的電纜，因此與伺服電機(jī)相比，可節(jié)省成本。

　　步進(jìn)電機(jī)的位置通過輸入的脈沖數(shù)或步進(jìn)數(shù)來確定。普通的步進(jìn)電機(jī)每步可具有1.8度的機(jī)械角，這導(dǎo)致每轉(zhuǎn)200步。在典型的步進(jìn)電機(jī)中，制造商將指定步距角精度的3%到5%(非累積值)。

　　在步進(jìn)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的許多磁齒(圖1)“鎖定”或?qū)?zhǔn)由通電電機(jī)相產(chǎn)生的定子中的電磁極。這種設(shè)計(jì)在低速時(shí)可提供高扭矩，并具有很高的開環(huán)位置精度。但是，如果沒有足夠的扭矩來驅(qū)動(dòng)負(fù)載，則會(huì)導(dǎo)致精度下降，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)失步。為了防止步進(jìn)丟失，運(yùn)行開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)的尺寸通常比應(yīng)用中所需的最大扭矩大50%。電機(jī)共振是步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)中的常見問題。在特定的速度范圍內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生共振，并可能導(dǎo)致扭矩?fù)p失和聽得見的噪音。調(diào)整運(yùn)動(dòng)曲線，微步速和負(fù)載慣量可以減少共振。

　　當(dāng)與電動(dòng)執(zhí)行器結(jié)合使用時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在需要每次都在同一位置捕獲圖像的相機(jī)系統(tǒng)等應(yīng)用中提供了很高的可重復(fù)性。在這些應(yīng)用中，高扭矩和轉(zhuǎn)子對(duì)極的鎖定以及3%到5%的步進(jìn)精度相結(jié)合，可提供非常一致的結(jié)果，并減少了校正位置誤差所需的圖像處理量。

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還具有制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩是當(dāng)電動(dòng)機(jī)未通電且軸從外部旋轉(zhuǎn)時(shí)在輸出軸上看到的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，這很有用，因?yàn)橹箘?dòng)扭矩可以保持執(zhí)行器的位置。在許多情況下，這可以防止負(fù)載的重量使電動(dòng)機(jī)反向驅(qū)動(dòng)。

　　伺服馬達(dá)。BLDC伺服電動(dòng)機(jī)在高占空比應(yīng)用中(與有刷電動(dòng)機(jī)相比)是首選，因?yàn)闊o刷電動(dòng)機(jī)不會(huì)造成磨損。在沒有電刷可用于換向的情況下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)換向。

　　電壓和電流感應(yīng)電路與編碼器位置反饋相結(jié)合，可使電機(jī)驅(qū)動(dòng)器精確計(jì)算轉(zhuǎn)子位置。這也使駕駛員可以命令電流流向電動(dòng)機(jī)相，從而在任何速度下都能產(chǎn)生最佳轉(zhuǎn)矩。

　　在BLDC電機(jī)中，定子中存在三個(gè)接線相。在轉(zhuǎn)子上，幾對(duì)永磁鐵與交替的南極和北極對(duì)齊。通常，在NEMA-17至NEMA-34機(jī)架尺寸上，轉(zhuǎn)子上有4至8個(gè)磁極(圖2)。

　　使相繞組通電會(huì)在相電磁體和轉(zhuǎn)子上的磁極之間產(chǎn)生扭矩，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。調(diào)整相繞組中的電流量可控制速度。更大的電流會(huì)產(chǎn)生更多的轉(zhuǎn)矩，從而加速轉(zhuǎn)子和負(fù)載。通常，驅(qū)動(dòng)器中存在電流，速度和位置的控制回路，以幫助控制運(yùn)動(dòng)。必須對(duì)它們進(jìn)行調(diào)整，以滿足每個(gè)系統(tǒng)上的性能標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)整會(huì)影響所有伺服運(yùn)動(dòng)，包括系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，位置超調(diào)和速度。這種調(diào)整要求會(huì)使伺服電機(jī)系統(tǒng)比步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)更復(fù)雜。

　　BLDC電動(dòng)機(jī)在整個(gè)速度范圍內(nèi)均保持相對(duì)恒定的轉(zhuǎn)矩。它們還可以輸出短暫的較高轉(zhuǎn)矩，稱為“峰值轉(zhuǎn)矩”，在此期間，電流最高可達(dá)到連續(xù)額定電流的兩倍。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的線性電動(dòng)執(zhí)行器是需要高速和高推力的應(yīng)用以及對(duì)扭矩敏感的應(yīng)用(例如壓力或焊接應(yīng)用)的理想選擇。汽車零件的點(diǎn)焊是使用伺服線性致動(dòng)器的一個(gè)很好的例子。焊縫之間的按壓力必須是可重復(fù)的，以形成穩(wěn)定的焊縫。

　　速度和扭矩比較

　　伺服電機(jī)在其大部分速度范圍內(nèi)可保持幾乎恒定的轉(zhuǎn)矩。然后，當(dāng)速度接近電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢極限(速度接近電源電壓水平時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反電壓)時(shí)，它會(huì)向下傾斜至零，并且不再產(chǎn)生維持轉(zhuǎn)矩所需的電流。步進(jìn)電機(jī)比BLDC電機(jī)以更高的轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，即使電機(jī)電流要小得多。但是，轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著速度的增加而迅速下降。如果需要BLDC電機(jī)提供更大的扭矩，則可以增加齒輪箱，但需要支付額外的費(fèi)用。該圖顯示了相同BLDC電機(jī)但變速箱為5：1的扭矩。

　　與步進(jìn)電機(jī)不同，伺服驅(qū)動(dòng)的線性電動(dòng)執(zhí)行器僅在工作時(shí)才消耗能量。即使那樣，它們也僅消耗足夠的能量來執(zhí)行編程的運(yùn)動(dòng)。閑置時(shí)，它們只需要很少的能量。

　　結(jié)論

　　確定在給定應(yīng)用中是否應(yīng)使用步進(jìn)或伺服執(zhí)行器并不總是容易的。氣動(dòng)缸因其速度/力功能和每軸成本低而廣為人知并得到廣泛使用。帶步進(jìn)電機(jī)的電動(dòng)執(zhí)行器具有開環(huán)控制功能，可為低速，高轉(zhuǎn)矩和高重復(fù)性應(yīng)用提供出色的性能和較低的成本。伺服執(zhí)行器在較高速度和力敏感應(yīng)用中表現(xiàn)良好。減少機(jī)器停機(jī)時(shí)間，降低能耗，提高精度和速度是可能影響步進(jìn)或伺服電動(dòng)執(zhí)行器之間選擇的因素。

本文關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī),伺服驅(qū)動(dòng)器