直線運動系統存在于無數機器中，僅舉幾個例子，包括精密激光切割系統、實驗室自動化設備、半導體制造機器、CNC機器、工廠自動化和許多其他設備。它們從相對簡單的(如乘用車中的廉價座椅致動器)到復雜的多軸坐標系，包括用于閉環定位的控制和驅動電子設備。無論多簡單或多復雜的直線運動系統，在最基本的層面上，它們都有一個共同點：在特定的時間內將負載移動一段直線距離。

　　設計直線運動系統最常見的問題之一是電機技術。技術一旦選定，電機的尺寸需要滿足負載加速的要求，克服系統摩擦力和重力的影響，同時保持安全的最高工作溫度。電機的扭矩、速度、功率和定位能力是電機設計、驅動和控制的函數。

　　一、應該從什么電機入手？

　　用特定電機技術設計直線運動系統時，需要考慮很多應用問題。對整個過程的詳細解釋超出了本文的范圍。目的是讓你在與汽車供應商交談時考慮問正確的問題。

　　沒有適合所有應用的最佳電機，但有適合特定應用的最佳電機。在大多數增量運動應用中，可以選擇步進電機、無刷DC電機或無刷DC電機。最復雜的運動系統可以使用直接耦合到負載的線性電機，避免了機械功率轉換的需要；不需要通過螺桿/滾珠螺桿、齒輪箱或滑輪系統進行平移。雖然具有無芯直接驅動的線性伺服系統可以實現最高的精度、可重復性和定位分辨率，但是與旋轉電機相比，它們具有最高的成本和復雜性。使用旋轉電機的架構要便宜得多，可以滿足大多數直線運動應用。

　　步進電機、有刷電機、無刷電機都視為DC電機；然而，有一些微妙之處會導致工程師在特定應用中更喜歡一種類型而不是另外兩種類型。必須強調的是，這種選擇高度依賴于系統的設計要求，不僅在速度和扭矩方面，而且在定位精度、可重復性和分辨率方面。沒有適用于所有應用的完美電機，所有決策都需要在設計中進行權衡。在最基本的層面上，所有電機，無論是交流電機還是DC電機、有刷電機、無刷電機或任何其他電機，都是根據相同的物理原理來產生扭矩的：磁場的相互作用。然而，這些不同電機技術在具體應用中的響應模式存在巨大差異。

　　步進、有刷伺服和無刷伺服電機技術都采用DC電源供電。對于線性運動應用，這并不意味著固定的DC電源可以直接應用于電機繞組。需要電子設備來控制繞組電流(與輸出轉矩有關)和繞組電壓(與輸出速度有關)。這三種技術的優缺點總結如下。線性系統的設計從負載質量和負載從A點移動到b點所需的速度開始。電機類型、尺寸和機械設計從移動負載所需的功率(瓦特)開始。從負載開始，最后通過所有組件返回到驅動電源，分析是一系列步驟，以了解從系統的一部分到另一部分的功率轉換，同時考慮中間組件的各種效率。以電壓和電流形式進入驅動器的功率最終會轉換為機械輸出功率，在特定時間內驅動給定的負載。

　　為了獲得負載所需輸出功率的指示，簡單的功率計算將有助于電機運行。知道了所需的平均輸出功率后，再回到電機，驅動各種功率轉換元件，就完成了功率需求的分析。應參考制造商的數據來考慮各種組件的效率，因為這將最終決定電機和電源的大小。

　　二、在要求的時間內移動負載需要多少功率？

　　克服重力舉起一個9公斤重的物體大約需要88N的力。計算移動負載所需的功率將為確定系統其余部分的組件提供一個起點。這是在1秒鐘內將9公斤的質量從A點垂直移動到B點所需的平均功率。包括諸如非摩擦的系統損失。根據系統中使用的其他部件，如齒輪箱和絲杠，所需的電機軸功率會略高。

　　P=(F  S)/t

　　P=(88N  0.2m)/1.0s=17.64w

　　這不同于系統所需的峰值功率。一旦考慮到加速和減速，運動曲線中的瞬時功率會略高；然而，負載所需的平均輸出功率約為18瓦。在對所有組件進行徹底分析后，像這樣的系統將需要大約37w的峰值功率來完成這項工作。這些信息和各種其他應用規范現在將有助于選擇最合適的電機技術。

　　三、應該考慮什么樣的電機技術？

　　出色的定位能力和相對簡單的控制會引導設計者首先考慮使用步進電機的可能性。然而，步進電機在滿足負載需求的同時，不能滿足小型機械占地面積的要求。37W的峰值功率要求將需要非常大的步進電機。雖然步進電機在低速時具有非常高的扭矩，但運動曲線的峰值速度和功率要求超過了除最大步進電機之外的所有步進電機的能力。

　　有刷DC伺服電機會滿足負載要求，機械占地面積小，低速旋轉非常穩定；然而，由于嚴格的EMC要求，最好避免在這種特殊應用中使用有刷電機。與無刷系統相比，這將是一種更便宜的替代方案，但可能很難通過任何嚴格的EMC要求。采用正弦驅動系統的無刷DC電機將是滿足所有應用要求的首選，包括負載和運動曲線(高功率密度)；低速平穩無齒輪運動；和小的機械足跡。在這種情況下，由于高頻開關驅動電子設備，仍然存在潛在的EMI特性；但由于頻帶較窄，可以采用在線濾波來緩解這種情況。有刷DC電機具有更寬的EMI特性，這使得其濾波更具挑戰性。

　　四、電機選擇只是開始

　　在本文中，我們簡要討論了設計人員在為相對簡單的直線運動應用選擇電機技術時需要考慮的各種因素。雖然對于更復雜的系統(如XY工作臺或多軸精密機構)原理是一樣的，但需要單獨分析各軸的負載。本文范圍之外的另一個考慮因素是如何選擇合適的安全系數來滿足系統的預期壽命(循環次數)。系統的壽命不僅取決于電機的大小，還取決于系統中的其他機械部件，如齒輪箱和螺桿組件。其他因素如定位精度、分辨率、可重復性、最大滾動、俯仰和偏航等。

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