氣動(氣壓)氣缸由于其低的每軸成本和高速/強制能力而被廣泛用于工業(yè)自動化。他們在自動化行業(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執(zhí)行器代替氣缸：減少機器停機時間，減少能耗，提高精度和提高速度。另外，電致動器可以由伺服或步進電機與控制設(shè)備一起提供動力，以提供線性運動。

　　電動直線執(zhí)行器的優(yōu)點

　　減少停機時間。電動線性執(zhí)行器(無論是螺桿驅(qū)動還是皮帶驅(qū)動)的維護成本都很低。潤滑可能是唯一必要的常規(guī)維護，并且在執(zhí)行機構(gòu)的整個使用壽命期間，對許多螺桿驅(qū)動型號進行了潤滑。

　　電動執(zhí)行器通常使用步進電動機或無刷直流伺服電動機來產(chǎn)生扭矩。由于兩個電動機均為無刷電動機，因此除負載軸承外，轉(zhuǎn)子與定子之間沒有接觸。這消除了電動機的維護，并允許電動機的壽命等于軸承的壽命。

　　另一方面，必須定期停用氣缸以進行重建或更換。在全負荷運行期間，根據(jù)氣缸的類型，氣缸可能需要每月至少進行一次更換或更換。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。還必須識別并修理管路和配件中的漏氣。這種維護需要幾個小時的停機時間，這會因生產(chǎn)損失而增加成本。

　　減少能源消耗。節(jié)能的“綠色機器”趨勢促使制造商考慮一段時間內(nèi)的能源使用情況。伺服驅(qū)動的線性電動執(zhí)行器僅消耗執(zhí)行編程運動所需的能量?？臻e時消耗很少的能量。

　　步進電機在運動過程中可能以其額定電流的100%運行，并且還具有相當大的穩(wěn)態(tài)保持電流。該保持電流會浪費能量，因為無論是否進行任何工作，它都會將轉(zhuǎn)子鎖定在某個位置。但是，許多步進驅(qū)動器可以將電流減小到最小水平。

　　氣動缸通常超大尺寸，因為大口徑缸的成本可能不會更高。如果壓縮機的尺寸不正確，或者沒有監(jiān)測和控制空氣泄漏，則氣動執(zhí)行器系統(tǒng)會消耗大量能量。氣動系統(tǒng)只有在根據(jù)所用氣缸的數(shù)量正確確定尺寸并且應用的占空比較高時才有效。

　　提高了精度和速度。隨著技術(shù)的進步，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，并滿足日益嚴格的規(guī)格要求，同時最大程度地減少機器停機時間和能耗。

　　電動線性執(zhí)行器可以滿足這些要求，因為它們可以提供對位置，速度和力的更多控制。高分辨率反饋設(shè)備如今很常見，并且可以輕松實現(xiàn)微米級的精度。先進的驅(qū)動器調(diào)整功能可以補償負載變化，慣性和防止機械共振等情況。電動執(zhí)行器制造商通常會提供尺寸調(diào)整軟件，以根據(jù)應用精確調(diào)整電動執(zhí)行器的尺寸，并選擇具有足夠扭矩以達到所需速度的電動機。

　　選擇步進或伺服

　　在為電動直線執(zhí)行器選擇電機時，電機類型是主要考慮因素。電動執(zhí)行器有兩種常見的電動機選擇：步進電動機和伺服電動機，每種都有其優(yōu)點和局限性。

　　步進電機。步進電機的優(yōu)點是在開環(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。由于不需要位置反饋傳感器或相關(guān)的電纜，因此與伺服電機相比，可節(jié)省成本。

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

　　在步進電機中，轉(zhuǎn)子的許多磁齒(圖1)“鎖定”或?qū)视赏婋姍C相產(chǎn)生的定子中的電磁極。這種設(shè)計在低速時可提供高扭矩，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)動負載，則會導致精度下降，從而導致電動機失步。為了防止步進丟失，運行開環(huán)控制的步進電機的尺寸通常比應用中所需的最大扭矩大50%。電機共振是步進電機設(shè)計中的常見問題。在特定的速度范圍內(nèi)可能會產(chǎn)生共振，并可能導致扭矩損失和聽得見的噪音。調(diào)整運動曲線，微步速和負載慣量可以減少共振。

　　當與電動執(zhí)行器結(jié)合使用時，步進電機在需要每次都在同一位置捕獲圖像的相機系統(tǒng)等應用中提供了很高的可重復性。在這些應用中，高扭矩和轉(zhuǎn)子對極的鎖定以及3%到5%的步進精度相結(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。

　　步進電動機還具有制動轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩是當電動機未通電且軸從外部旋轉(zhuǎn)時在輸出軸上看到的轉(zhuǎn)矩。當系統(tǒng)掉電時，這很有用，因為止動扭矩可以保持執(zhí)行器的位置。在許多情況下，這可以防止負載的重量使電動機反向驅(qū)動。

　　伺服馬達。BLDC伺服電動機在高占空比應用中(與有刷電動機相比)是首選，因為無刷電動機不會造成磨損。在沒有電刷可用于換向的情況下，電機驅(qū)動器負責換向。

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

　　在BLDC電機中，定子中存在三個接線相。在轉(zhuǎn)子上，幾對永磁鐵與交替的南極和北極對齊。通常，在NEMA-17至NEMA-34機架尺寸上，轉(zhuǎn)子上有4至8個磁極(圖2)。

　　使相繞組通電會在相電磁體和轉(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。更大的電流會產(chǎn)生更多的轉(zhuǎn)矩，從而加速轉(zhuǎn)子和負載。通常，驅(qū)動器中存在電流，速度和位置的控制回路，以幫助控制運動。必須對它們進行調(diào)整，以滿足每個系統(tǒng)上的性能標準。調(diào)整會影響所有伺服運動，包括系統(tǒng)響應時間，位置超調(diào)和速度。這種調(diào)整要求會使伺服電機系統(tǒng)比步進電機系統(tǒng)更復雜。

　　BLDC電動機在整個速度范圍內(nèi)均保持相對恒定的轉(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，電流最高可達到連續(xù)額定電流的兩倍。伺服電機驅(qū)動的線性電動執(zhí)行器是需要高速和高推力的應用以及對扭矩敏感的應用(例如壓力或焊接應用)的理想選擇。汽車零件的點焊是使用伺服線性致動器的一個很好的例子。焊縫之間的按壓力必須是可重復的，以形成穩(wěn)定的焊縫。

　　速度和扭矩比較

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

　　與步進電機不同，伺服驅(qū)動的線性電動執(zhí)行器僅在工作時才消耗能量。即使那樣，它們也僅消耗足夠的能量來執(zhí)行編程的運動。閑置時，它們只需要很少的能量。

　　結(jié)論

　　確定在給定應用中是否應使用步進或伺服執(zhí)行器并不總是容易的。氣動缸因其速度/力功能和每軸成本低而廣為人知并得到廣泛使用。帶步進電機的電動執(zhí)行器具有開環(huán)控制功能，可為低速，高轉(zhuǎn)矩和高重復性應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用中表現(xiàn)良好。減少機器停機時間，降低能耗，提高精度和速度是可能影響步進或伺服電動執(zhí)行器之間選擇的因素。

本文關(guān)鍵詞：步進電機,伺服驅(qū)動器