旋转电机

直流电机/伺服电机

带位置测量的直流电机称为伺服电机。直流伺服电机的典型特点是操作平稳、无振动,速度范围广,低速时转矩大。为了以最佳方式利用这些特性,带比例-积分-微分控制(PID)以及合适滤波器的电机控制器必不可少。伺服电机的优点不胜枚举:动态性好、快速寻址、低速时转矩大、发热少、振动小。

直流伺服电机需要高达12V的直流工作电压。电机的旋转速度与电压成正比;前缀决定方向。可重复定位需要一个额外的测量系统。

无刷直流电机

PI正越来越多地使用电子换向无刷直流电机,优化的空心轴或转矩电机可实现较大的转矩。同时,由于驱动轴位于电机内部,对于相同的行程范围,驱动机构可以做得更短。


ActiveDrive直流电机

直流电机驱动器的优点多多,包括较大控制范围内动态性能良好、低转速下转矩高、散热少以及高位置分辨率时振动小。然而,高性能线性放大器的成本通常比步进电机高。通过在电机壳中集成PWM(脉冲宽度调制)伺服放大器,ActiveDrive系统可显著降低成本。标准配置中的单独电源为ActiveDrive电机提供24V的标准工作电压。ActiveDrive理念有如下几个优点:

  • 消除放大器和电机之间的功率损耗后,效率更高
  • 由于无需外部驱动器和布线,成本降低、系统更紧凑、可靠性更高
  • 在单个屏蔽罩中将放大器和电机安装在一起可消除噪声辐射

步进电机驱动器

不同于直流电机,步进电机在每一转中仅占据离散位置。由于这些步进的距离恒定,利用步数就可控制位置,而无需位置传感器。通常情况下,每一转中有200至1000整步。实际实现的步长由步进电机控制装置决定,根据不同的版本,控制装置可在整步间电子插入多达几十万微步。 PI使用的是运行稳定的两相步进电机。步进电机的使用寿命长,且与直流电机相比,其十分适用于动态性低或真空中的应用。电机轴上的机械阻尼器,也可用作手轮,可确保运行的平稳性。为了保持某一位置,不带自锁减速齿轮的步进电机需要持续通电,这可能在步进之间造成位置抖动,产生热量。


受控步进电机平台的系统管理控制器技术

系统控制器(SMC)步进电机控制装置的控制技术确保电机能十分平稳地运行,从而带来极高的位置分辨率、平稳的进给以及速度和加速度较大的动态范围。系统管理控制器效率很高,可避免电机发热。系统管理控制器是基于带高分辨率放大器的32位处理器,放大器的位置分辨率可低至纳米范围。通过与精密机械系统结合,可实现小于1μm/s的匀速进给。正弦2曲线图,而不是线性加速度分布图,可被选用来实现平稳的加速期和减速期。若需长期稳定定位,系统控制器步进电机控制器可评估位置测量系统,并实现精确控制。对模拟量1V峰间值的处理可实现对位置十分精确且无限的设置,并不受比特控制的数字转换的限制。 从单通道紧凑装置到19"外壳中的多轴控制装置,系统管理控制器有多个不同版本。

利用系统管理控制器进行精确定位

图1展示的是配备不带额外位置反馈的两相步进电机的PLS-85线性平台的100nm步进。平台执行这些步进的精度很高。控制25nm步进时(见图2),各步的差异更大。平均来说,偏差仅为±5nm。

位置控制

通过利用位置控制,小步的位置行为可进一步改善,尤其是在高分辨率传感器的模拟输出信号被用于处理时。系统管理控制器可处理低至2nm的传感器分辨率,位置分辨率此时仅取决于传感器。然而,环境影响不容忽视:环境温度仅0.01°C的变化就足以造成平台约10nm的热致膨胀。必要时,可使用超精密平台或专门开发的平台,如带花岗岩基座及相应高分辨率线性编码器的平台。 图3展示了测量到的配备线性编码器的LS-110平台的最小增量运动。通过精确分离的各步,可清晰看到50nm的分辨率。负载的平稳变化不会影响该精度。

速度控制

速度,通常指的是最大可实现的速度,是选择定位系统的一个决定性参数,但有些应用中却要求十分缓慢且平稳的进给运动。这对于步进电机和直流电机都是一大挑战。系统管理控制器的速度控制可保证平台速度在<< 1 µm/s的范围内达到完美的稳定性。 图4列出了配备分辨率为10nm的集成式线性编码器的PLS-85平台的测量结果。速度设为100nm/s,相当于360µm/h或大约10mm/d的进给。运动非常平稳。由于干涉仪的分辨率为5nm,每一步都在此单独列出。

校正控制器中的位置错误

导向装置和驱动装置的质量通常会对可实现的定位精度有所限制,例如,主轴间距的非线性将导致被控制位置的偏差。有些应用中,改善绝对定位精度十分重要,而双向可重复性则无关紧要。系统管理控制器中的错误校正保存测量到的偏差,然后相应地校正目标位置。 图5展示的是LS-180在100nm的行程范围内目标位置与实际位置之间32µm的位置偏差。测量包括运动的两个方向;平均双向可重复性为1.78µm。 从图6中可看到结果:偏差显著减小,仅约为±1.5µm。可重复性可通过利用位置控制进行进一步改善。

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白皮书 步进电机轴的性能

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