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10³至10⁴。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GTS和VP-25系列、大負載MTN-CC和IMS-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%到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-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%到40%、驅動力高10%到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-LM和IMS-LM系列、高速轉臺RGV系列等。

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