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运动平台结构揭秘 – 动力篇

在选择运动平台时，首先要考虑的问题之一是选择合适的驱动方式。不同驱动方式决定了平台的性能，包括大负载、精度、小步进、速度和加速度等参数。Newport运动控制提供了由无刷直驱电机、直流电机和步进电机驱动的平台，这篇文档将介绍它们的特性和区别，帮助您选择合适的产品。

直流电机

直流电机作为基本的控制系统元器件之一，有着广泛的应用。当给绕组通电时，转速与电压成正比，扭矩与电流成正比。直流电机的大特点是运行平稳和转速高。直流电机的线性度非常好、易于控制，动态范围一般可以达到10³至10⁴。同时直流电机效率较高、有着很好的功率/重量比。与步进电机不同，直流伺服电机在待机时一般电流较小。在闭环位置控制系统中，直流电机需配合旋转编码器使用，当对精度要求更高时，可使用负载位置直接反馈式编码器和电机速度计。

使用直流电机的Newport运动平台产品：高精度GTS和VP-25系列、大负载MTN-CC和IMS-CC系列、高速转台URB系列等。

步进电机

步进电机利用磁极的相互吸引和排斥工作，将电脉冲信号转化为电机轴的转动。转动量与脉冲的个数成正比、转速与脉冲频率成正比。驱动平台的步进电机定子由多个小齿构成，转子由多极永磁铁组成。步进电机与直流电机的大区别在于：当给直流电机的绕组加电压时，会产生扭矩和旋转；但给步进电机加电压时，只有扭矩产生。为了使电机旋转，施加的电流必须换向。直流电机由电刷换向，但步进电机本身没有换向装置，需要由电机驱动器来实现。

当给步进电机的两相绕组同时通电时，可以将一个整步细分为多个小步。这种方法被称为微步进，它可以提高分辨率和改善运动的平稳性。尽管驱动器可以进行很多细分，但是对于某款步进电机，有意义的细分数量是有上限的，该上限决定了运动灵敏度的极限。在实际系统中，微步进并不等距，随着电机和负载的不同有5%到20%的波动，对平台低速稳定性产生影响。

步进电机经常被开环使用，成本低于闭环直流伺服电机。当在设计扭矩和转速下使用时，步进电机可以稳定可靠的工作。但当超出设计范围时，丢步、多步甚至堵转都可能会发生。在电机轴上安装位置传感器可以监测步进电机的运行状态。此外，开环步进电机低速响应特性较好，更有利于提高小步进（Minimum Incremental Motion）指标。

使用步进电机的Newport运动平台产品：ILS-PP和IMS-PP直线系列、高精度FMS-PPHA系列、PPV6系列真空版平台、集成控制器的FCL和FCR系列等。

无刷直驱电机

无刷直驱结构与传统机械结构相比具有众多优势，逐渐得到更多应用。由于没有传动机构，系统摩擦力更小、无回程间隙、重复性更好并且磨损更小，易于达到更高的精度。该电机的磁场由一系列永磁极提供，线圈一般由三相构成。与步进电机类似，驱动器必须具备换向能力。常见的驱动电流为正弦形式，以保证运动的平稳。驱动器或控制器可以通过位于负载的线性/旋转编码器或位于线圈的霍尔传感器反馈得知相位信息，第yi种方式要求控制器在每次加电后寻找相位。

直驱电机有两种不同的设计：无铁芯和铁芯式。

铁芯式无刷电机的主要优势是效率高。与同尺寸的无铁芯电机相比，发热大约少30%到40%、驱动力高10%到30%。需要注意的是，发热是高精度系统的主要误差来源。该设计的主要劣势是由线圈和磁极吸引产生的周期性力/力矩波动，对速度稳定性产生一定的影响。但对于像XPS的高性能运动控制器，当速度达到100 mm/s时，这种波动几乎不可见。速度更高时，由XPS控制器驱动的IMS-LM平台可以实现±0.2%的速度稳定性。

无铁芯式无刷电机的磁极一般呈U形安装，线圈在磁铁间运动。这种设计的速度稳定性更好，系统的电气时间常数更小，带宽更高，动态性能更好，微步进性能优越。但是需要的永磁铁数量更多，因此成本较高、重量更高。XM系列平台采用了这种设计，小步进（Minimum Incremental Motion）低至1 nm。