惠及消费类产品的智能线性执行器

作者：Bill Schweber

引言

线性执行器可将电机转子固有的旋转运动转化为适用于各类大小负载的直线运动。它由电机、直线导轨和驱动控制电子元件组成，此外还可能包含有线/无线连接和控制方案。虽然线性执行器对用户的存在感很低，但它是广泛用于汽车、航空航天、农业、制造业、太阳能、医疗和机器人等领域的标准组件（图1），并且正越来越多地进入家用和消费产品，服务于各种你看得见或看不见的家居功能。它可以简化一些原本复杂的工作，同时还为室内设计提供了新的选择。

图1：智能线性执行器可实现精确运动控制，这款由可编程处理器控制的注射泵就采用智能线性执行器来定量输注药液（图源：Helix Linear）

根据具体应用的需求，线性执行器的电源可以直接来自交流线路，也可以使用小型AC/DC转换器。它通过伸出和缩回的动作来改变负载的位置，诸如提起或放下物体、打开和关闭盖子等，在消费类场景中的应用包括百叶窗和窗帘、伸缩式遮阳篷（图2）、升降式电视架（图3）、躺椅、可调节床、天窗、升降式集成灶和风管阻尼器等。

图2：线性执行器非常适合用于打开和收起户外遮阳篷（图源：Studio Harmony/Shutterstock）


图3：借助线性执行器可以轻松地将平板电视机从柜子中升起或收回柜子中（图源：Häfele America Co）

以往，液压或气动活塞以及线性执行器在家用和消费类场景中相对少见，但在工业场景中广泛用于需要执行运动的场合。这是多种因素导致的，包括成本、大小、控制的复杂度、维护需求（如更换密封件）等，而且压缩空气或液压流体活塞在家用环境中的可行性也是一个问题。

但随着技术发展，线性执行器已不再局限于工业场景。如今，小型高功率电机变得更加成熟，电机和执行器都可以由高性能的控制电子元件来管理，此外还可以通过红外控制（类似电视机遥控器）、蓝牙连接、Wi-Fi链路或专有无线链路轻松添加有线或无线接口，实现远程控制。此外，今天的住宅内已经遍布交流电插座，能够更轻松地满足智能线性执行器对低占空比/高峰值功率的需求，并且无需使用电池，这也省去了屋主的一桩烦心事。

推动线性执行器设计的多项因素

如同往常一样，随着技术进步，智能线性执行器之所以得到更广泛的应用，并非源自于某一种压倒一切的原因。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预期与更易于使用的小体积、大功率电机以及低成本、多功能的连接和通信接口结合了起来。通常情况下，用户的应用会推动需求的产生，这些需求又推动新的技术涌现出来，使这些应用能够在补足、强化的循环中得以实现。

推动智能线性执行器的因素包括：

· 更智能的家居：消费者更倾向于采用家居自动化、智能家居“附件”和家庭网络，智能家居得到进一步普及。
· 人口数量和统计特征：老龄人口更希望留在家中，但某些事务需要电机协助完成；年轻人口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：现在的电机已经足够可靠、安静、强大、可控，并且还有直流有刷电机、直流永磁无刷电机、直流步进电机和交流电机等类型可供选择，无需再纠缠于凌乱的液压或气动执行器以及压缩机和软管，也无需再考虑起压延迟的问题。
· 电机控制便利性：这些小型大功率电器更易于控制，并且具有足够的工作精确度，无需采用液压或气动活塞和控制阀（参见“延伸阅读：电机之外的选择”部分）；电机控制器中可以内置实现了软启停的运动轨迹曲线，可以链接乃至同步多个执行器。
· 功能：更多以用户为中心的功能，如定时操作和自我诊断，都可以嵌入到体积更小、成本更低的控制器组件中。
· 远程控制：能够通过网络和非网络连接，使用红外、有线和无线链路实现低成本的远程控制。
· 机械改进：借助改进后的材料，将电机旋转输出转化为直线运动的联动装置可以变得更小、更轻、更安静，并实现免维护，例如由工程塑料制成的丝杠和螺母，或者滑轮和传动带。
· 效率：今天的电机、控制器和通信组件的发热量更低、体积更小、安装更容易，并且只需采用小巧、方便的供电线路。

智能电动线性执行器的内部构造

由电动机驱动的智能线性执行器是一种相对简单的机电设备，能够实现精确运动控制。它的身影出现在DVD驱动器、喷墨打印机打印头托架等大众市场应用中，但通常并不容易被看到。

它的核心是一台电机，通过一根轴来提供旋转运动输出。连接到这根轴上的机构可以将这种旋转运动转化为可控、可重复，并且对于大多数消费类和家用应用而言足够精确的直线位移。

实现这种转化的方法有很多种，其中一种经济而又高效的做法是在电机轴上连接一根丝杠（较长的螺纹杆），并在其上旋入一个螺母（带有母螺纹的柱状物）（图4），然后将需要移动的负载连接到这个螺母上。这样一来，电机轴转动便会带动丝杠转动，使螺母带动负载沿着丝杠移动。

图4：使用丝杠实现线性运动的原理改造自螺栓和螺母，电机带动丝杠转动，使其上的螺母带动负载移动（图源：Design and Technology Resources）

对于负载较重且需要较低摩擦力的情况，可将丝杠的牙型改为半圆弧形，将螺母改为由外壳包覆的一组滚珠轴承，这就是滚珠丝杠。两种丝杠采用的基本概念是一致的，即移动的组件骑跨在较长的螺纹杆上并承受负载。

除了使用丝杠外，还有一种成本较低的替代方案：在电机轴上安装一个通常由塑料制成的带齿滑轮，并使之与具有匹配齿型并且无伸缩的柔性传动带啮合（图5），同时将负载固定到传动带上，并将传动带的远端啮合在另一个无动力的惰轮上，以便维持适当的张力。这种采用滑轮和传动带的方案非常适合用于长行程的直线运动，例如拉动窗帘覆盖整面窗户。

图5：在某些情况下，可以使用齿形传动带和匹配的滑轮将旋转运动转化为直线运动（图源：Teknic, Inc.）

智能电机控制：简化线性执行器的关键所在

除了电机以及与之连接的机械组件外，线性执行器还需要一个电机控制器（也称为电机驱动器）。这个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”，以确定引导电机所需的功率控制动作和序列，以便将负载移动到预定位置。这些智能控制器的功能正变得越来越强大，几乎不需要由系统设计人员来进行直接监督。许多消费类应用都采用了驱动电流不超过1A到2A的小型电机，它们的控制IC中可以集成电机驱动器MOSFET，还可以包含SPI、I2C或UART接口，用于连接到系统中的其他组件，例如红外、有线或射频无线接口组件。

STMicroelectronics的STSPIN32F0高级BLDC控制器就是此类控制器的一个例子。这是一款用于无刷直流电机的控制器，带有嵌入式微控制器单元 (MCU)（图6）。这款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。用户可以自行开发运动控制算法以配合自己的应用，也可以在预先提供的算法包基础上根据需求进行定制。

图6：STMicroelectronics STSPIN32F0高级无刷直流电机控制器以及其他类似器件集成了许多用于电机控制的管理和I/O功能（图源：STMicroelectronics）

使用此类电机控制器后，系统微控制器便无需再提供线性运动动作和相关电机动作序列的具体细节，只需发出“以速率y将负载移动到x位置”这样的指令即可，智能控制器在收到指令后即可自行控制电机完成动作。因此，系统微控制器完全可以采用较低端的产品，甚至在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，电机会发生失速，导致电流过大；如果控制器检测到了这种过流现象，就会切断驱动器电源。这些功能也许鲜少会被人留意到，但正是这些必不可少的功能使大众市场的消费类产品更容易为人所接受，因为它们所针对的都是现实世界中可能会发生的状况，这些功能能够尽可能降低故障率。

从Trinamic Motion Control（2021年8月被Analog Devices收购）的多款产品可见，智能电机控制器可以实现多种运动轨迹曲线，既有基本的梯形曲线（图7），又有诸如S形曲线（图8）等更加复杂的曲线。S形曲线在运动开始和停止时的速度和/或加速度是平滑变化的。与梯形曲线相比，S形曲线对窗帘杆、升降式电视架等负载的冲击较小，也更容易让消费者接受。

图7：梯形加速度曲线是最容易实现的一种常用方案（图源：Trinamic GMBH）


图8：智能运动控制器可以实现S形速度曲线，减少可能有害的突然启停，提高长期可靠性，并且更容易让消费者接受（图源：Trinamic GMBH）

反馈控制

对于需要更准确的中间定位和置信度的应用，可以在电机上采用反馈和闭环控制。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的连接非常紧密，因而通常情况下将传感器安装到电机轴上即可，无需将其安装到移动的负载上。安装到电机轴上的做法更加容易实现，而且无需沿着导轨布线。对于采用齿形滑轮和传动带方案的执行器，如果担心传动带打滑的话，似乎更有必要将传感器安装到负载上。不过，只要执行器的零件规格和设计没有问题，通常是不需要这样做的。

反馈控制传感器可用的类型有霍尔效应器件、旋转变压器、光学编码器和简单的电位计。霍尔效应器件的分辨率最低，但成本也是最低的，而且也最容易集成到机械设计中。鉴于消费类产品一般都不需要非常高的精度，因而霍尔效应器件是绰绰有余的。旋转变压器和光学编码器的成本很高，也非常难以集成。电位计的成本不高，但长期使用可能出现衰退，并且其可靠性与环境相关；但对于消费类产品而言，这些缺点也许都不是问题，因为此类产品的使用率并不高，其所处的物理环境通常也相对温和。

延伸阅读：电机之外的选择

延伸阅读：电机之外的选择在线性执行器的驱动方式中，气动和液压活塞的设计已有一百多年的运用历史（图9），技术成熟并且工作良好，在多种方面具有不错的表现（力、大小、速度、准确度等）。

图9：自工业革命以来，由气动或液压驱动的活塞一直是商用和工业线性执行器的主要驱动方式，但它依然是有缺点的，正是这些缺点使之难以用于消费类和家用应用（图源：Control Products, Inc.）

不过，通常情况下它们并不适合消费类应用，如果与电机方案相比，它们的缺点会更明显，毕竟电机更加易于安装和控制，而且只需基本的电源连接即可工作，无需使用空气或液压油压缩机和相互连接的管道，况且压缩机自身的电机也是需要用电的。此外，液压油还可能发生泄漏，而电机则不存在此类问题，也不会在故障时产生损害环境的风险。

结语

借助由高效电机驱动的智能线性执行器，直线机电设备得以走入家用消费类领域。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/无线连接领域的新技术，为设计人员提供了易于使用并且经济高效的方法来解决现有应用和新应用中的直线动作控制问题。