电位器在直线步进电机中的应用

2014-07-01范栋梁

机械工程师 2014年4期

关键词：电位器阻值滑动

范栋梁

（海顿直线电机（常州）有限公司，江苏常州213022）

电位器在直线步进电机中的应用

范栋梁

（海顿直线电机（常州）有限公司，江苏常州213022）

介绍了电位器的工作原理以及在直线步进电机中的应用。其安装方式具有价格低廉、性能可靠、通用性强等特点。

电位器；直线步进电机；应用

0 引言

使用直线步进电机对机械部件进行运动控制时，某些特殊场合需要实时掌握机械部件在运动中的具体位置，这就是运动实时定位控制。它首先需要在运动中采集变化的电子参数，然后通过计算机对电子参数进行对比分析，通过位移参数从而间接地实现定位控制。

目前直线步进电机通常采用编码器的方式来实现定位控制，光电码盘安装在电机的旋转轴上，通过编码器里的接收器读取码盘上的光栅信号，由此实现对电机的运动控制。由于编码器的分辨率由码盘上光栅的线数决定，因此光栅的线数实际上就决定了电机的位置控制精度。对于高精度控制的运动部件，低分辨率的编码不适用，这样就不具有一定的通用性。另外编码器的价格比较昂贵，也制约了其在运动控制中的广泛应用。

在实际的工业控制领域中，需要有一种器件，价格相对适中，同时其应用又有一定的通用性，能够满足用户对运动控制精度的需求，而电位器正好能满足上述要求。

1 电位器特性

1.1 电位器的工作原理

电位器是是一种可以调节阻值的电子元器件，我国对电位器的定义是作为分压器使用的一个三端组件，它的两个引出端与电阻体的两个终端相连，而第三端接到能沿电阻体做机械运动的动触点上，通过旋转电位器上轴心，改变轴心旋钮上连接刷在电阻片碳膜上的位置，从而实现了阻值的调节。

图1 电位器的基本结构

1.2 电位器的特性

电位器与电阻器的性能指标含义在标称阻值、允许偏差、额定功率等方面是一致的，此外还有如下特性：1）阻值变化规律。阻值变化规律是指电位器旋转角度（或行程）与作为分压器使用时输出电压的关系。常见电位器的阻值变化规律有线性变化型、指数变化型、对数变化型。2）滑动噪声。当电刷在电阻体上滑动时，电位器中心端与固定端之间的电压出现无规则的起伏，这种现象称为电位器的滑动噪声。它是由材料电阻率分布不均匀以及电刷滑动时接触电阻的无规律变化引起的。3）分辨力。对输出量可实现的最精细的调节能力。绕线电位器的分辨力较差。4）极限电压。电位器在短时间内能承受的最高电压。5）机械耐久性。通常以旋转（或滑动）多少次为标志，是表示电位器使用寿命的指标。

1.3 电位器的种类

电位器主要是由电阻体和电刷组成，通常电位器有如下分类：

1）合成碳膜电位器。这是目前使用最多的，其电阻体用碳黑、石墨、石英粉、有机粘合剂等配制成的混合物，涂在胶木板或玻璃纤维上制成。具有分辨率高、调节阻值范围大的特点。

2）金属膜电位器。其电阻体是用金属合金膜、金属氧化膜、金属复合膜、氧化钽膜材料通过真空技术沉积在陶瓷基体上制成，具有分辨率高、滑动噪声小的特点。

3）绕线电位器。其电阻体是由电阻丝绕在涂有绝缘材料的金属或非金属板上制成的，具有功率大、精度高、噪声小、稳定性好的特点。

4）实心电位器。其电阻体是用碳黑、石墨、石英粉、有机粘合剂等配制的材料混合加热后，压在塑料基体上，再经加热聚合而成，具有分辨率高、可靠性高、体积小的特点。

5）单多圈电位器。单圈电位器只能在一圈内旋转，多圈电位器的转轴每转一圈，滑动臂触点在电阻体上仅改变很小一段距离，其滑动臂从一个极端位置到另一个极端位置时，转轴需要转动多圈。

6）带开关电位器。在电位器上附加有开关装置。开关与电位器同轴，开关的运动与控制方式分为旋转式和推拉式两种。

1.4 电位器的用途

1）起分电压作用。由于电位器的电阻是规律可调的，调节电位器的转柄或滑柄可带动电阻体上动触点的滑动，使电位器的输出端获得的电压与转角或行程成比例关系。

2）起调节电阻作用。当电位器的两端连接在电路中，通过调节动触点行程位置控制阻值大小。

3）起调节电流作用。当电位器连接在电路中，通过调节电位器阻值的变化实现电流的改变。

2 电位器在步进直线电机中的应用

2.1 直接安装方式

图1 直接安装方式

如图1所示，在电机的后伸出轴上安装有一个联轴器，在联轴器另一端安装电位器，电机转轴每转一圈，电位器也相应地转一圈。由于电位器的阻值是有规律的变化，因此通过初始位置的电阻值和现有阻值之差就可以计算出步进直线电机线性位移量，从而实现对位置的控制。采用这种安装方式结构简单，由于电位器和电机轴的传动比是1∶1，因此换算方便。

但是由于电阻器的旋转圈数是一定的，对于行程比较大的步进直线电机，超过了最大圈数范围，使用就会受到限制。

2.2 间接安装方式

采用齿轮的间接连接方式可以有效地解决这个问题，如图2所示，一个齿轮安装在电机的转轴上，另一个齿轮安装在电位器上，然后这两个齿轮进行啮合连接。调整两个齿轮的齿数可以控制传动比，从而改变电位器和电机轴的传动比参数。通过这种方式，如果步进直线电机的行程远大于电位器的圈数范围，只要增加安装在电位器上齿轮的齿数就能解决这个问题。