揭秘智能升降設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵：智能線性執(zhí)行器

引言

線性執(zhí)行器可將電機(jī)轉(zhuǎn)子固有的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為適用于各類大小負(fù)載的直線運(yùn)動。它由電機(jī)、直線導(dǎo)軌和驅(qū)動控制電子元件組成，此外還可能包含有線/無線連接和控制方案。雖然線性執(zhí)行器對用戶的存在感很低，但它是廣泛用于汽車、航空航天、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、太陽能、醫(yī)療和機(jī)器人等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)組件（圖1），并且正越來越多地進(jìn)入家用和消費(fèi)產(chǎn)品，服務(wù)于各種你看得見或看不見的家居功能。它可以簡化一些原本復(fù)雜的工作，同時還為室內(nèi)設(shè)計(jì)提供了新的選擇。

圖1：智能線性執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動控制，這款由可編程處理器控制的注射泵就采用智能線性執(zhí)行器來定量輸注藥液（圖源：Helix Linear）

根據(jù)具體應(yīng)用的需求，線性執(zhí)行器的電源可以直接來自交流線路，也可以使用小型AC/DC轉(zhuǎn)換器。它通過伸出和縮回的動作來改變負(fù)載的位置，諸如提起或放下物體、打開和關(guān)閉蓋子等，在消費(fèi)類場景中的應(yīng)用包括百葉窗和窗簾、伸縮式遮陽篷（圖2）、升降式電視架（圖3）、躺椅、可調(diào)節(jié)床、天窗、升降式集成灶和風(fēng)管阻尼器等。

以往，液壓或氣動活塞以及線性執(zhí)行器在家用和消費(fèi)類場景中相對少見，但在工業(yè)場景中廣泛用于需要執(zhí)行運(yùn)動的場合。這是多種因素導(dǎo)致的，包括成本、大小、控制的復(fù)雜度、維護(hù)需求（如更換密封件）等，而且壓縮空氣或液壓流體活塞在家用環(huán)境中的可行性也是一個問題。

但隨著技術(shù)發(fā)展，線性執(zhí)行器已不再局限于工業(yè)場景。如今，小型高功率電機(jī)變得更加成熟，電機(jī)和執(zhí)行器都可以由高性能的控制電子元件來管理，此外還可以通過紅外控制（類似電視機(jī)遙控器）、藍(lán)牙連接、Wi-Fi鏈路或?qū)Ｓ袩o線鏈路輕松添加有線或無線接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。此外，今天的住宅內(nèi)已經(jīng)遍布交流電插座，能夠更輕松地滿足智能線性執(zhí)行器對低占空比/高峰值功率的需求，并且無需使用電池，這也省去了屋主的一樁煩心事。

推動線性執(zhí)行器設(shè)計(jì)的多項(xiàng)因素

如同往常一樣，隨著技術(shù)進(jìn)步，智能線性執(zhí)行器之所以得到更廣泛的應(yīng)用，并非源自于某一種壓倒一切的原因。事實(shí)上，這是多種因素相互促進(jìn)的結(jié)果。這些執(zhí)行器將用戶的需求和預(yù)期與更易于使用的小體積、大功率電機(jī)以及低成本、多功能的連接和通信接口結(jié)合了起來。通常情況下，用戶的應(yīng)用會推動需求的產(chǎn)生，這些需求又推動新的技術(shù)涌現(xiàn)出來，使這些應(yīng)用能夠在補(bǔ)足、強(qiáng)化的循環(huán)中得以實(shí)現(xiàn)。

推動智能線性執(zhí)行器的因素包括：

? 更智能的家居：消費(fèi)者更傾向于采用家居自動化、智能家居“附件”和家庭網(wǎng)絡(luò)，智能家居得到進(jìn)一步普及。

? 人口數(shù)量和統(tǒng)計(jì)特征：老齡人口更希望留在家中，但某些事務(wù)需要電機(jī)協(xié)助完成；年輕人口更愿意擁抱和期待無處不在的自動化和高科技功能。? 電機(jī)技術(shù)：現(xiàn)在的電機(jī)已經(jīng)足夠可靠、安靜、強(qiáng)大、可控，并且還有直流有刷電機(jī)、直流永磁無刷電機(jī)、直流步進(jìn)電機(jī)和交流電機(jī)等類型可供選擇，無需再糾纏于凌亂的液壓或氣動執(zhí)行器以及壓縮機(jī)和軟管，也無需再考慮起壓延遲的問題。? 電機(jī)控制便利性：這些小型大功率電器更易于控制，并且具有足夠的工作精確度，無需采用液壓或氣動活塞和控制閥（參見“延伸閱讀：電機(jī)之外的選擇”部分）；電機(jī)控制器中可以內(nèi)置實(shí)現(xiàn)了軟啟停的運(yùn)動軌跡曲線，可以鏈接乃至同步多個執(zhí)行器。? 功能：更多以用戶為中心的功能，如定時操作和自我診斷，都可以嵌入到體積更小、成本更低的控制器組件中。? 遠(yuǎn)程控制：能夠通過網(wǎng)絡(luò)和非網(wǎng)絡(luò)連接，使用紅外、有線和無線鏈路實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程控制。? 機(jī)械改進(jìn)：借助改進(jìn)后的材料，將電機(jī)旋轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動的聯(lián)動裝置可以變得更小、更輕、更安靜，并實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，例如由工程塑料制成的絲杠和螺母，或者滑輪和傳動帶。? 效率：今天的電機(jī)、控制器和通信組件的發(fā)熱量更低、體積更小、安裝更容易，并且只需采用小巧、方便的供電線路。

智能電動線性執(zhí)行器的內(nèi)部構(gòu)造

由電動機(jī)驅(qū)動的智能線性執(zhí)行器是一種相對簡單的機(jī)電設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)精確運(yùn)動控制。它的身影出現(xiàn)在DVD驅(qū)動器、噴墨打印機(jī)打印頭托架等大眾市場應(yīng)用中，但通常并不容易被看到。它的核心是一臺電機(jī)，通過一根軸來提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動輸出。連接到這根軸上的機(jī)構(gòu)可以將這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為可控、可重復(fù)，并且對于大多數(shù)消費(fèi)類和家用應(yīng)用而言足夠精確的直線位移。

實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的方法有很多種，其中一種經(jīng)濟(jì)而又高效的做法是在電機(jī)軸上連接一根絲杠（較長的螺紋桿），并在其上旋入一個螺母（帶有母螺紋的柱狀物）（圖4），然后將需要移動的負(fù)載連接到這個螺母上。這樣一來，電機(jī)軸轉(zhuǎn)動便會帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使螺母帶動負(fù)載沿著絲杠移動。

對于負(fù)載較重且需要較低摩擦力的情況，可將絲杠的牙型改為半圓弧形，將螺母改為由外殼包覆的一組滾珠軸承，這就是滾珠絲杠。兩種絲杠采用的基本概念是一致的，即移動的組件騎跨在較長的螺紋桿上并承受負(fù)載。

除了使用絲杠外，還有一種成本較低的替代方案：在電機(jī)軸上安裝一個通常由塑料制成的帶齒滑輪，并使之與具有匹配齒型并且無伸縮的柔性傳動帶嚙合，同時將負(fù)載固定到傳動帶上，并將傳動帶的遠(yuǎn)端嚙合在另一個無動力的惰輪上，以便維持適當(dāng)?shù)膹埩?。這種采用滑輪和傳動帶的方案非常適合用于長行程的直線運(yùn)動，例如拉動窗簾覆蓋整面窗戶。

在某些情況下，可以使用齒形傳動帶和匹配的滑輪將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動

（圖源：Teknic， Inc.）

智能電機(jī)控制：簡化線性執(zhí)行器的關(guān)鍵所在

除了電機(jī)以及與之連接的機(jī)械組件外，線性執(zhí)行器還需要一個電機(jī)控制器（也稱為電機(jī)驅(qū)動器）。這個電子元件不僅需要控制流向電機(jī)繞組的電流，還需要具有一定的“智能”，以確定引導(dǎo)電機(jī)所需的功率控制動作和序列，以便將負(fù)載移動到預(yù)定位置。這些智能控制器的功能正變得越來越強(qiáng)大，幾乎不需要由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來進(jìn)行直接監(jiān)督。許多消費(fèi)類應(yīng)用都采用了驅(qū)動電流不超過1A到2A的小型電機(jī)，它們的控制IC中可以集成電機(jī)驅(qū)動器MOSFET，還可以包含SPI、I2C或UART接口，用于連接到系統(tǒng)中的其他組件，例如紅外、有線或射頻無線接口組件。

STMicroelectronics的STSPIN32F0高級BLDC控制器就是此類控制器的一個例子。這是一款用于無刷直流電機(jī)的控制器，帶有嵌入式微控制器單元（MCU）（圖6）。這款I(lǐng)C產(chǎn)品結(jié)合了基本電源管理、ARM處理器內(nèi)核、存儲器、傳感器模擬輸入、電機(jī)MOSFET驅(qū)動器、一系列串行接口等。用戶可以自行開發(fā)運(yùn)動控制算法以配合自己的應(yīng)用，也可以在預(yù)先提供的算法包基礎(chǔ)上根據(jù)需求進(jìn)行定制。

圖6：STMicroelectronics STSPIN32F0高級無刷直流電機(jī)控制器以及其他類似器件集成了許多用于電機(jī)控制的管理和I/O功能（圖源：STMicroelectronics）使用此類電機(jī)控制器后，系統(tǒng)微控制器便無需再提供線性運(yùn)動動作和相關(guān)電機(jī)動作序列的具體細(xì)節(jié)，只需發(fā)出“以速率y將負(fù)載移動到x位置”這樣的指令即可，智能控制器在收到指令后即可自行控制電機(jī)完成動作。因此，系統(tǒng)微控制器完全可以采用較低端的產(chǎn)品，甚至在很多情況下可以集成到電機(jī)控制IC中。智能控制器還針對意外情況提供各種形式的保護(hù)。例如，當(dāng)負(fù)載運(yùn)動受阻時，電機(jī)會發(fā)生失速，導(dǎo)致電流過大；如果控制器檢測到了這種過流現(xiàn)象，就會切斷驅(qū)動器電源。這些功能也許鮮少會被人留意到，但正是這些必不可少的功能使大眾市場的消費(fèi)類產(chǎn)品更容易為人所接受，因?yàn)樗鼈兯槍Φ亩际乾F(xiàn)實(shí)世界中可能會發(fā)生的狀況，這些功能能夠盡可能降低故障率。

從Trinamic Motion Control（2021年8月被Analog Devices收購）的多款產(chǎn)品可見，智能電機(jī)控制器可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動軌跡曲線，既有基本的梯形曲線（圖7），又有諸如S形曲線（圖8）等更加復(fù)雜的曲線。S形曲線在運(yùn)動開始和停止時的速度和/或加速度是平滑變化的。與梯形曲線相比，S形曲線對窗簾桿、升降式電視架等負(fù)載的沖擊較小，也更容易讓消費(fèi)者接受。

圖7：梯形加速度曲線是最容易實(shí)現(xiàn)的一種常用方案（圖源：Trinamic GMBH）

圖8：智能運(yùn)動控制器可以實(shí)現(xiàn)S形速度曲線，減少可能有害的突然啟停，提高長期可靠性，并且更容易讓消費(fèi)者接受（圖源：Trinamic GMBH）

反饋控制

對于需要更準(zhǔn)確的中間定位和置信度的應(yīng)用，可以在電機(jī)上采用反饋和閉環(huán)控制。根據(jù)應(yīng)用的具體需求，反饋傳感器可以安裝在電機(jī)或負(fù)載上。由于電機(jī)與絲杠或滾珠絲杠的連接非常緊密，因而通常情況下將傳感器安裝到電機(jī)軸上即可，無需將其安裝到移動的負(fù)載上。安裝到電機(jī)軸上的做法更加容易實(shí)現(xiàn)，而且無需沿著導(dǎo)軌布線。對于采用齒形滑輪和傳動帶方案的執(zhí)行器，如果擔(dān)心傳動帶打滑的話，似乎更有必要將傳感器安裝到負(fù)載上。不過，只要執(zhí)行器的零件規(guī)格和設(shè)計(jì)沒有問題，通常是不需要這樣做的。

反饋控制傳感器可用的類型有霍爾效應(yīng)器件、旋轉(zhuǎn)變壓器、光學(xué)編碼器和簡單的電位計(jì)?；魻栃?yīng)器件的分辨率最低，但成本也是最低的，而且也最容易集成到機(jī)械設(shè)計(jì)中。鑒于消費(fèi)類產(chǎn)品一般都不需要非常高的精度，因而霍爾效應(yīng)器件是綽綽有余的。旋轉(zhuǎn)變壓器和光學(xué)編碼器的成本很高，也非常難以集成。電位計(jì)的成本不高，但長期使用可能出現(xiàn)衰退，并且其可靠性與環(huán)境相關(guān)；但對于消費(fèi)類產(chǎn)品而言，這些缺點(diǎn)也許都不是問題，因?yàn)榇祟惍a(chǎn)品的使用率并不高，其所處的物理環(huán)境通常也相對溫和。

延伸閱讀：電機(jī)之外的選擇

延伸閱讀：電機(jī)之外的選擇在線性執(zhí)行器的驅(qū)動方式中，氣動和液壓活塞的設(shè)計(jì)已有一百多年的運(yùn)用歷史（圖9），技術(shù)成熟并且工作良好，在多種方面具有不錯的表現(xiàn)（力、大小、速度、準(zhǔn)確度等）。

不過，通常情況下它們并不適合消費(fèi)類應(yīng)用，如果與電機(jī)方案相比，它們的缺點(diǎn)會更明顯，畢竟電機(jī)更加易于安裝和控制，而且只需基本的電源連接即可工作，無需使用空氣或液壓油壓縮機(jī)和相互連接的管道，況且壓縮機(jī)自身的電機(jī)也是需要用電的。此外，液壓油還可能發(fā)生泄漏，而電機(jī)則不存在此類問題，也不會在故障時產(chǎn)生損害環(huán)境的風(fēng)險。

結(jié) 語

借助由高效電機(jī)驅(qū)動的智能線性執(zhí)行器，直線機(jī)電設(shè)備得以走入家用消費(fèi)類領(lǐng)域。智能線性執(zhí)行器結(jié)合了運(yùn)動控制器、電機(jī)、機(jī)械驅(qū)動組件和有線/無線連接領(lǐng)域的新技術(shù)，為設(shè)計(jì)人員提供了易于使用并且經(jīng)濟(jì)高效的方法來解決現(xiàn)有應(yīng)用和新應(yīng)用中的直線動作控制問題。

編輯：jq