推动线性执行器设计的多项因素有哪些（推动线性执行器设计的多项因素是）

线性执行器将电机转子的固有旋转运动转换为适合各种尺寸负载的线性运动。它由电机、线性导轨和驱动控制电子设备组成，还可能包括有线/无线连接和控制解决方案。尽管线性执行器的用户存在率较低，但它们是汽车、航空航天、农业、制造、太阳能、医疗和机器人领域广泛使用的标准组件（图1），并且越来越多地进入家庭和消费产品，服务于各种家庭功能你可以看到或看不到。它可以简化一些原本复杂的任务，同时还为室内设计提供新的选择。

根据特定应用的需求，线性执行器可以直接由交流线路供电或使用小型交流/直流转换器供电。它通过伸缩运动来改变负载的位置，例如提升或降低物体、打开和关闭盖子等。消费场景中的应用包括百叶窗和窗帘、可伸缩遮阳篷（图2）、升降电视柜（图3） 、躺椅、调节床、天窗、升降式集成灶及风道风门等。

过去，液压或气动活塞和线性执行器在家庭和消费场景中相对较少，但在需要进行运动的工业场景中被广泛使用。这是由于多种因素造成的，包括成本、尺寸、控制复杂性、维护要求（例如密封件更换），以及压缩空气或液压流体活塞在家庭环境中的可行性也是一个问题。

然而，随着技术的发展，线性执行器不再局限于工业场景。如今，小型高功率电机变得越来越复杂，电机和执行器除了通过红外线（类似于电视遥控器）、蓝牙连接、Wi-Fi 链接进行控制外，还可以由高性能控制电子设备进行管理或专有无线链接轻松添加有线或无线接口以进行远程控制。此外，如今的家庭中已经布满了交流电源插座，可以更轻松地满足智能线性执行器的低占空比/高峰值功率需求，而无需电池，这也让房主省去了麻烦。

驱动线性执行器设计的几个因素

一如既往，随着技术的进步，智能线性执行器得到更广泛的使用没有一个最重要的原因。事实上，这是多种因素相互促进的结果。这些执行器将用户的需求和期望与更易于使用的小型高功率电机以及低成本、多功能的连接和通信接口相结合。通常，用户应用会驱动需求的产生，而这些需求又会驱动新技术的出现，使这些应用在互补和强化的循环中得以实现。

驱动智能线性执行器的因素包括：

智能家居：随着消费者越来越倾向于采用家庭自动化、智能家居“配件”和家庭网络，智能家居变得越来越受欢迎。

人口规模和人口特征：老年人口更喜欢呆在家里，但某些任务需要运动辅助；年轻人群更愿意拥抱和期待无处不在的自动化和高科技功能。电机技术：当今的电机可靠、安静、强大且可控。还有直流有刷电机、直流永磁无刷电机、直流步进电机和交流电机可供选择，因此无需纠结于杂乱。液压或气动执行器以及压缩机和软管，无需考虑启动压力的延迟。电机控制便利性：这些小型高功率电器更容易控制，并且能够以足够的精度进行操作，而无需液压或气动活塞和控制阀（请参阅“进一步阅读：电机之外的选项”部分）；在电机控制器中可以内置运动轨迹曲线，实现软启动和软停止，并且可以联动甚至同步多个执行器。功能：更多以用户为中心的功能，例如计划操作和自诊断，可以嵌入到更小、成本更低的控制器组件中。远程控制：能够使用红外、有线和无线链路通过网络和非网络连接实现低成本远程控制。机械改进：通过改进材料，例如工程塑料制成的丝杠和螺母，或者滑轮和传动带，将电机旋转输出转换为线性运动的连杆可以变得更小、更轻、更安静且免维护。效率：当今的电机、控制器和通信组件产生的热量更少，体积更小，更易于安装，并且只需要小型、方便的电源线。

智能电动推杆内部结构

由电动机驱动的智能线性执行器是相对简单的机电设备，能够进行精确的运动控制。它出现在大众市场应用中，例如DVD 驱动器和喷墨打印机头托架，但通常不容易看到。其核心是电机，通过轴提供旋转运动输出。连接到该轴的机构将这种旋转运动转换为线性位移，这种线性位移对于大多数消费者和家庭应用来说是可控的、可重复的和足够精确的。

有很多方法可以实现这种转换。最经济、最有效的方法之一是将丝杠（较长的螺纹杆）连接到电机轴上，并将螺母（带内螺纹）拧到其上。柱）（图4），然后将要移动的负载连接到该螺母上。这样，电机轴的旋转就会带动螺杆旋转，从而使螺母带动负载沿着螺杆移动。

对于负载较重、要求较低摩擦的场合，可将丝杠的齿形改为半圆弧形，将螺母改为一组带壳的滚珠轴承。这是滚珠丝杠。两种丝杠使用的基本概念是相同的，移动部件安装在较长的螺纹杆上并承载负载。

使用丝杠的成本较低的替代方案是在电机轴上安装通常由塑料制成的齿形皮带轮，并将其与具有匹配齿形且无拉伸的柔性传动带啮合（图5），同时固定电机轴将负载加载到皮带上，并将皮带的远端接合到另一个无动力惰轮上，以便保持适当的张力。这种使用滑轮和皮带的方法非常适合长距离线性运动，例如拉动窗帘以覆盖整个窗户。

智能电机控制：简化线性执行器的关键

除了电机和与其连接的机械部件外，线性执行器还需要电机控制器（也称为电机驱动器）。该电子元件不仅需要控制流向电机绕组的电流，还需要具有一定的“智能”来确定引导电机所需的功率控制动作和顺序，以便将负载移动到预定位置位置。这些智能控制器变得越来越强大，几乎不需要系统设计者的直接监督。许多消费应用使用驱动电流不超过1A 至2A 的小型电机。他们的控制IC 可以集成电机驱动器MOSFET，还可以包括SPI、I2C 或UART 接口，用于连接系统中的其他组件，例如红外、有线或RF 无线接口组件。

STMicroElectronics 的STSPIN32F0 高级BLDC 控制器就是此类控制器的一个示例。这是一款带有嵌入式微控制器(MCU) 的无刷直流电机控制器（图6）。该IC 产品结合了基本电源管理、ARM 处理器内核、存储器、传感器模拟输入、电机MOSFET 驱动器、一系列串行接口等。用户可以开发自己的运动控制算法来适应自己的应用，也可以基于预先提供的算法包根据自己的需求进行定制。

使用此类电机控制器后，系统微控制器不再需要提供线性运动动作和相关电机动作序列的具体细节。它只需要发出诸如“以速率y 将负载移动到位置x”之类的指令。智能控制设备收到指令后即可控制电机完成动作。因此，系统微控制器完全可以采用低端产品，甚至很多情况下可以集成到电机控制IC中。智能控制器还针对意外情况提供各种形式的保护。例如，当负载运动受阻时，电机会堵转，导致电流过大；如果控制器检测到这种过流，它将切断驱动器的电源。这些功能可能很少被注意到，但它们是使大众市场消费产品更容易被接受的基本功能，因为它们针对的是现实世界中可能发生的情况。功能可以尽可能降低故障率。

从Trinamic Motion Control（2021年8月被Analog Devices收购）的各种产品可以看出，智能电机控制器可以实现多种运动轨迹曲线，包括基本梯形曲线（图7）和S形曲线（图7） ）。图8）和其他更复杂的曲线。 S 形曲线是运动开始和停止时速度和/或加速度的平滑变化。与梯形曲线相比，S形曲线对窗帘杆、升降电视柜等负载的影响更小，更容易让消费者接受。

反馈控制

对于需要更准确的中间定位和置信度的应用，可以在电机上使用反馈和闭环控制。根据应用的具体需求，反馈传感器可以安装在电机或负载上。由于电机与丝杠或滚珠丝杠之间的连接非常紧密，通常将传感器安装在电机轴上就足够了，而无需将其安装到移动负载上。安装到电机轴上更加容易，并且无需沿导轨布线。对于使用齿形皮带轮和传动皮带方案的执行器，如果担心皮带打滑，似乎更有必要将传感器安装到负载上。然而，只要致动器部件的规格和设计没有问题，这通常是不必要的。

反馈控制传感器的可用类型包括霍尔效应器件、旋转变压器、光学编码器和简单电位计。霍尔效应器件的分辨率最低，但成本也最低，并且最容易集成到机械设计中。由于消费产品通常不需要非常高的精度，霍尔效应器件就足够了。旋转变压器和光学编码器价格昂贵且很难集成。电位器价格便宜，但它们可能会随着时间的推移而退化，并且它们的可靠性取决于环境；但对于消费品来说，这些缺点可能不是问题，因为它们的使用率不高，而且它们的使用物理环境也普遍比较良性。

进一步阅读：电机以外的选项

延伸阅读：电机以外的选项在线性执行器的驱动方式中，气动和液压活塞的设计已经使用了一百多年。技术成熟、效果良好，在多方面（力、尺寸、速度、精度等）都有良好的表现。

然而，它们通常不适合消费类应用，与电机解决方案相比，它们的缺点更加明显，电机解决方案更容易安装和控制，并且只需要基本的电源连接即可运行，无需使用空气或液压油压缩机和连接的管道和压缩机本身的电机也需要电力。液压油也可能泄漏，而电动机则不会出现这种情况，并且在发生故障时不会造成环境破坏的风险。

结论

借助高效电机驱动的智能线性执行器，线性机电设备可以进入家庭消费领域。智能线性执行器结合了运动控制器、电机、机械驱动组件和有线/无线连接方面的新技术，为设计人员提供了一种易于使用且经济高效的方法来解决现有和新应用中的线性运动控制问题。问题。

责任编辑：haq