惠及消費類產品的智能線性執(zhí)行器

引言

線性執(zhí)行器可將電機轉子固有的旋轉運動轉化為適用于各類大小負載的直線運動。它由電機、直線導軌和驅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、農業(yè)、制造業(yè)、太陽能、醫(yī)療和機器人等領域的標準組件，并且正越來越多地進入家用和消費產品，服務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雜的工作，同時還為室內設計提供了新的選擇。

根據具體應用的需求，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轉換器。它通過伸出和縮回的動作來改變負載的位置，諸如提起或放下物體、打開和關閉蓋子等，在消費類場景中的應用包括百葉窗和窗簾、伸縮式遮陽篷、升降式電視架、躺椅、可調節(jié)床、天窗、升降式集成灶和風管阻尼器等。

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)行運動的場合。這是多種因素導致的，包括成本、大小、控制的復雜度、維護需求（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，小型高功率電機變得更加成熟，電機和執(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（類似電視機遙控器）、藍牙連接、Wi-Fi鏈路或專有無線鏈路輕松添加有線或無線接口，實現遠程控制。此外，今天的住宅內已經遍布交流電插座，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)行器設計的多項因素

如同往常一樣，隨著技術進步，智能線性執(zhí)行器之所以得到更廣泛的應用，并非源自于某一種壓倒一切的原因。事實上，這是多種因素相互促進的結果。這些執(zhí)行器將用戶的需求和預期與更易于使用的小體積、大功率電機以及低成本、多功能的連接和通信接口結合了起來。通常情況下，用戶的應用會推動需求的產生，這些需求又推動新的技術涌現出來，使這些應用能夠在補足、強化的循環(huán)中得以實現。

推動智能線性執(zhí)行器的因素包括：

更智能的家居：消費者更傾向于采用家居自動化、智能家居“附件”和家庭網絡，智能家居得到進一步普及。

人口數量和統(tǒng)計特征：老齡人口更希望留在家中，但某些事務需要電機協助完成；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。

電機技術：現在的電機已經足夠可靠、安靜、強大、可控，并且還有直流有刷電機、直流永磁無刷電機、直流步進電機和交流電機等類型可供選擇，無需再糾纏于凌亂的液壓或氣動執(zhí)行器以及壓縮機和軟管，也無需再考慮起壓延遲的問題。

電機控制便利性：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：電機之外的選擇”部分）；電機控制器中可以內置實現了軟啟停的運動軌跡曲線，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。

遠程控制：能夠通過網絡和非網絡連接，使用紅外、有線和無線鏈路實現低成本的遠程控制。

機械改進：借助改進后的材料，將電機旋轉輸出轉化為直線運動的聯動裝置可以變得更小、更輕、更安靜，并實現免維護，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、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)行器的內部構造

由電動機驅動的智能線性執(zhí)行器是一種相對簡單的機電設備，能夠實現精確運動控制。它的身影出現在DVD驅動器、噴墨打印機打印頭托架等大眾市場應用中，但通常并不容易被看到。

它的核心是一臺電機，通過一根軸來提供旋轉運動輸出。連接到這根軸上的機構可以將這種旋轉運動轉化為可控、可重復，并且對于大多數消費類和家用應用而言足夠精確的直線位移。

實現這種轉化的方法有很多種，其中一種經濟而又高效的做法是在電機軸上連接一根絲杠（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），然后將需要移動的負載連接到這個螺母上。這樣一來，電機軸轉動便會帶動絲杠轉動，使螺母帶動負載沿著絲杠移動。

對于負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載。

除了使用絲杠外，還有一種成本較低的替代方案：在電機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（圖5），同時將負載固定到傳動帶上，并將傳動帶的遠端嚙合在另一個無動力的惰輪上，以便維持適當的張力。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動，例如拉動窗簾覆蓋整面窗戶。

圖5：在某些情況下，可以使用齒形傳動帶和匹配的滑輪將旋轉運動轉化為直線運動（圖源：Teknic, Inc.）

智能電機控制：簡化線性執(zhí)行器的關鍵所在

除了電機以及與之連接的機械組件外，線性執(zhí)行器還需要一個電機控制器（也稱為電機驅動器）。這個電子元件不僅需要控制流向電機繞組的電流，還需要具有一定的“智能”，以確定引導電機所需的功率控制動作和序列，以便將負載移動到預定位置。這些智能控制器的功能正變得越來越強大，幾乎不需要由系統(tǒng)設計人員來進行直接監(jiān)督。許多消費類應用都采用了驅動電流不超過1A到2A的小型電機，它們的控制IC中可以集成電機驅動器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的控制器，帶有嵌入式微控制器單元 (MCU)（圖6）。這款IC產品結合了基本電源管理、ARM處理器內核、存儲器、傳感器模擬輸入、電機MOSFET驅動器、一系列串行接口等。用戶可以自行開發(fā)運動控制算法以配合自己的應用，也可以在預先提供的算法包基礎上根據需求進行定制。

圖6：STMicroelectronics STSPIN32F0高級無刷直流電機控制器以及其他類似器件集成了許多用于電機控制的管理和I/O功能（圖源：STMicroelectronics）

使用此類電機控制器后，系統(tǒng)微控制器便無需再提供線性運動動作和相關電機動作序列的具體細節(jié)，只需發(fā)出“以速率y將負載移動到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完成動作。因此，系統(tǒng)微控制器完全可以采用較低端的產品，甚至在很多情況下可以集成到電機控制IC中。智能控制器還針對意外情況提供各種形式的保護。例如，當負載運動受阻時，電機會發(fā)生失速，導致電流過大；如果控制器檢測到了這種過流現象，就會切斷驅動器電源。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類產品更容易為人所接受，因為它們所針對的都是現實世界中可能會發(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）的多款產品可見，智能電機控制器可以實現多種運動軌跡曲線，既有基本的梯形曲線（圖7），又有諸如S形曲線（圖8）等更加復雜的曲線。S形曲線在運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、升降式電視架等負載的沖擊較小，也更容易讓消費者接受。

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

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

反饋控制

對于需要更準確的中間定位和置信度的應用，可以在電機上采用反饋和閉環(huán)控制。根據應用的具體需求，反饋傳感器可以安裝在電機或負載上。由于電機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軸上即可，無需將其安裝到移動的負載上。安裝到電機軸上的做法更加容易實現，而且無需沿著導軌布線。對于采用齒形滑輪和傳動帶方案的執(zhí)行器，如果擔心傳動帶打滑的話，似乎更有必要將傳感器安裝到負載上。不過，只要執(zhí)行器的零件規(guī)格和設計沒有問題，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器件、旋轉變壓器、光學編碼器和簡單的電位計。霍爾效應器件的分辨率最低，但成本也是最低的，而且也最容易集成到機械設計中。鑒于消費類產品一般都不需要非常高的精度，因而霍爾效應器件是綽綽有余的。旋轉變壓器和光學編碼器的成本很高，也非常難以集成。電位計的成本不高，但長期使用可能出現衰退，并且其可靠性與環(huán)境相關；但對于消費類產品而言，這些缺點也許都不是問題，因為此類產品的使用率并不高，其所處的物理環(huán)境通常也相對溫和。

延伸閱讀：電機之外的選擇

延伸閱讀：電機之外的選擇在線性執(zhí)行器的驅動方式中，氣動和液壓活塞的設計已有一百多年的運用歷史，技術成熟并且工作良好，在多種方面具有不錯的表現（力、大小、速度、準確度等）。

不過，通常情況下它們并不適合消費類應用，如果與電機方案相比，它們的缺點會更明顯，畢竟電機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和相互連接的管道，況且壓縮機自身的電機也是需要用電的。此外，液壓油還可能發(fā)生泄漏，而電機則不存在此類問題，也不會在故障時產生損害環(huán)境的風險。

結語

借助由高效電機驅動的智能線性執(zhí)行器，直線機電設備得以走入家用消費類領域。智能線性執(zhí)行器結合了運動控制器、電機、機械驅動組件和有線/無線連接領域的新技術，為設計人員提供了易于使用并且經濟高效的方法來解決現有應用和新應用中的直線動作控制問題。

審核編輯：郭婷