旋轉電機

直流電機/伺服電機

帶位置測量的直流電機稱為伺服電機。直流伺服電機的典型特點是操作平穩、無振動,速度範圍廣,低速時轉矩大。為了以最佳方式利用這些特性,帶比例-積分-微分控制(PID)以及合适濾波器的電機控制器必不可少。伺服電機的優點不勝枚舉:動态性好、快速尋址、低速時轉矩大、發熱少、振動小。

直流伺服電機需要高達12V的直流工作電壓。電機的旋轉速度與電壓成正比;前綴決定方向。可重複定位需要一個額外的測量系統。

無刷直流電機

PI正越來越多地使用電子換向無刷直流電機,優化的空心軸或轉矩電機可實現較大的轉矩。同時,由于驅動軸位于電機内部,對于相同的行程範圍,驅動機構可以做得更短。


ActiveDrive直流電機

直流電機驅動器的優點多多,包括較大控制範圍内動态性能良好、低轉速下轉矩高、散熱少以及高位置分辨率時振動小。然而,高性能線性放大器的成本通常比步進電機高。通過在電機殼中集成PWM(脈沖寬度調制)伺服放大器,ActiveDrive系統可顯著降低成本。标準配置中的單獨電源為ActiveDrive電機提供24V的标準工作電壓。ActiveDrive理念有如下幾個優點:

  • 消除放大器和電機之間的功率損耗後,效率更高
  • 由于無需外部驅動器和布線,成本降低、系統更緊湊、可靠性更高
  • 在單個屏蔽罩中将放大器和電機安裝在一起可消除噪聲輻射

步進電機驅動器

不同于直流電機,步進電機在每一轉中僅占據離散位置。由于這些步進的距離恒定,利用步數就可控制位置,而無需位置傳感器。通常情況下,每一轉中有200至1000整步。實際實現的步長由步進電機控制裝置決定,根據不同的版本,控制裝置可在整步間電子插入多達幾十萬微步。 PI使用的是運行穩定的兩相步進電機。步進電機的使用壽命長,且與直流電機相比,其十分适用于動态性低或真空中的應用。電機軸上的機械阻尼器,也可用作手輪,可确保運行的平穩性。為了保持某一位置,不帶自鎖減速齒輪的步進電機需要持續通電,這可能在步進之間造成位置抖動,産生熱量。


受控步進電機平台的系統管理控制器技術

系統控制器(SMC)步進電機控制裝置的控制技術确保電機能十分平穩地運行,從而帶來極高的位置分辨率、平穩的進給以及速度和加速度較大的動态範圍。系統管理控制器效率很高,可避免電機發熱。系統管理控制器是基于帶高分辨率放大器的32位處理器,放大器的位置分辨率可低至納米範圍。通過與精密機械系統結合,可實現小于1μm/s的勻速進給。正弦2曲線圖,而不是線性加速度分布圖,可被選用來實現平穩的加速期和減速期。若需長期穩定定位,系統控制器步進電機控制器可評估位置測量系統,并實現精确控制。對模拟量1V峰間值的處理可實現對位置十分精确且無限的設置,并不受比特控制的數字轉換的限制。 從單通道緊湊裝置到19"外殼中的多軸控制裝置,系統管理控制器有多個不同版本。

利用系統管理控制器進行精确定位

圖1展示的是配備不帶額外位置反饋的兩相步進電機的PLS-85線性平台的100nm步進。平台執行這些步進的精度很高。控制25nm步進時(見圖2),各步的差異更大。平均來說,偏差僅為±5nm。

位置控制

通過利用位置控制,小步的位置行為可進一步改善,尤其是在高分辨率傳感器的模拟輸出信号被用于處理時。系統管理控制器可處理低至2nm的傳感器分辨率,位置分辨率此時僅取決于傳感器。然而,環境影響不容忽視:環境溫度僅0.01°C的變化就足以造成平台約10nm的熱緻膨脹。必要時,可使用超精密平台或專門開發的平台,如帶花崗岩基座及相應高分辨率線性編碼器的平台。 圖3展示了測量到的配備線性編碼器的LS-110平台的最小增量運動。通過精确分離的各步,可清晰看到50nm的分辨率。負載的平穩變化不會影響該精度。

速度控制

速度,通常指的是最大可實現的速度,是選擇定位系統的一個決定性參數,但有些應用中卻要求十分緩慢且平穩的進給運動。這對于步進電機和直流電機都是一大挑戰。系統管理控制器的速度控制可保證平台速度在<< 1 µm/s的範圍内達到完美的穩定性。 圖4列出了配備分辨率為10nm的集成式線性編碼器的PLS-85平台的測量結果。速度設為100nm/s,相當于360µm/h或大約10mm/d的進給。運動非常平穩。由于幹涉儀的分辨率為5nm,每一步都在此單獨列出。

校正控制器中的位置錯誤

導向裝置和驅動裝置的質量通常會對可實現的定位精度有所限制,例如,主軸間距的非線性将導緻被控制位置的偏差。有些應用中,改善絕對定位精度十分重要,而雙向可重複性則無關緊要。系統管理控制器中的錯誤校正保存測量到的偏差,然後相應地校正目标位置。 圖5展示的是LS-180在100nm的行程範圍内目标位置與實際位置之間32µm的位置偏差。測量包括運動的兩個方向;平均雙向可重複性為1.78µm。 從圖6中可看到結果:偏差顯著減小,僅約為±1.5µm。可重複性可通過利用位置控制進行進一步改善。

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白皮書

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