帶位置測(cè)量的直流電機(jī)稱為伺服電機(jī)。直流伺服電機(jī)的典型特點(diǎn)是操作平穩(wěn)、無振動(dòng)，速度范圍廣，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大。為了以最佳方式利用這些特性，帶比例-積分-微分控制(PID)以及合適濾波器的電機(jī)控制器必不可少。伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)不勝枚舉：動(dòng)態(tài)性好、快速尋址、低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、發(fā)熱少、振動(dòng)小。

　　直流伺服電機(jī)需要高達(dá)12V的直流工作電壓。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與電壓成正比;前綴決定方向。可重復(fù)定位需要一個(gè)額外的測(cè)量系統(tǒng)。

　　PI可提供帶高效ActiveDrive直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或直流齒輪電機(jī)的LS-110直線工作臺(tái)。

　　無刷直流電機(jī)

　　PI正越來越多地使用電子換向無刷直流電機(jī)，優(yōu)化的空心軸或轉(zhuǎn)矩電機(jī)可實(shí)現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)軸位于電機(jī)內(nèi)部，對(duì)于相同的行程范圍，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以做得更短。

　　ActiveDrive直流電機(jī)

　　作為直流電機(jī)變體的帶集成式Active Drive放大器的M-406精密線性平臺(tái)

　　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)多多，包括較大控制范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)性能良好、低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩高、散熱少以及高位置分辨率時(shí)振動(dòng)小。然而，高性能線性放大器的成本通常比步進(jìn)電機(jī)高。通過在電機(jī)殼中集成PWM(脈沖寬度調(diào)制)伺服放大器，ActiveDrive系統(tǒng)可顯著降低成本。標(biāo)準(zhǔn)配置中的單獨(dú)電源為ActiveDrive電機(jī)提供24V的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓。ActiveDrive理念有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　消除放大器和電機(jī)之間的功率損耗后，效率更高

　　由于無需外部驅(qū)動(dòng)器和布線，成本降低、系統(tǒng)更緊湊、可靠性更高

　　在單個(gè)屏蔽罩中將放大器和電機(jī)安裝在一起可消除噪聲輻射

　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

　　不同于直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)在每一轉(zhuǎn)中僅占據(jù)離散位置。由于這些步進(jìn)的距離恒定，利用步數(shù)就可控制位置，而無需位置傳感器。通常情況下，每一轉(zhuǎn)中有200至1000整步。實(shí)際實(shí)現(xiàn)的步長(zhǎng)由步進(jìn)電機(jī)控制裝置決定，根據(jù)不同的版本，控制裝置可在整步間電子插入多達(dá)幾十萬微步。PI使用的是運(yùn)行穩(wěn)定的兩相步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的使用壽命長(zhǎng)，且與直流電機(jī)相比，其十分適用于動(dòng)態(tài)性低或真空中的應(yīng)用。電機(jī)軸上的機(jī)械阻尼器，也可用作手輪，可確保運(yùn)行的平穩(wěn)性。為了保持某一位置，不帶自鎖減速齒輪的步進(jìn)電機(jī)需要持續(xù)通電，這可能在步進(jìn)之間造成位置抖動(dòng)，產(chǎn)生熱量。

　　受控步進(jìn)電機(jī)平臺(tái)

　　系統(tǒng)控制器(SMC)步進(jìn)電機(jī)控制裝置的控制技術(shù)確保電機(jī)能十分平穩(wěn)地運(yùn)行，從而帶來極高的位置分辨率、平穩(wěn)的進(jìn)給以及速度和加速度較大的動(dòng)態(tài)范圍。系統(tǒng)管理控制器效率很高，可避免電機(jī)發(fā)熱。系統(tǒng)管理控制器是基于帶高分辨率放大器的32位處理器，放大器的位置分辨率可低至納米范圍。通過與精密機(jī)械系統(tǒng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)小于1μm/s的勻速進(jìn)給。正弦2曲線圖，而不是線性加速度分布圖，可被選用來實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的加速期和減速期。若需長(zhǎng)期穩(wěn)定定位，系統(tǒng)控制器步進(jìn)電機(jī)控制器可評(píng)估位置測(cè)量系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)精確控制。對(duì)模擬量1V峰間值的處理可實(shí)現(xiàn)對(duì)位置十分精確且無限的設(shè)置，并不受比特控制的數(shù)字轉(zhuǎn)換的限制。 從單通道緊湊裝置到19"外殼中的多軸控制裝置，系統(tǒng)管理控制器有多個(gè)不同版本。

　　100nm步進(jìn)

　　25nm步進(jìn)

　　圖1展示的是配備不帶額外位置反饋的兩相步進(jìn)電機(jī)的PLS-85線性平臺(tái)的100nm步進(jìn)。平臺(tái)執(zhí)行這些步進(jìn)的精度很高?？刂?5nm步進(jìn)時(shí)(見圖2)，各步的差異更大。平均來說，偏差僅為±5nm。

　　位置控制

　　圖3：LS-110使用兩相步進(jìn)電機(jī)，傳感器信號(hào)峰-峰值為1V，步進(jìn)量50納米

　　通過利用位置控制，小步的位置行為可進(jìn)一步改善，尤其是在高分辨率傳感器的模擬輸出信號(hào)被用于處理時(shí)。系統(tǒng)管理控制器可處理低至2nm的傳感器分辨率，位置分辨率此時(shí)僅取決于傳感器。然而，環(huán)境影響不容忽視：環(huán)境溫度僅0.01°C的變化就足以造成平臺(tái)約10nm的熱致膨脹。必要時(shí)，可使用超精密平臺(tái)或?qū)ｉT開發(fā)的平臺(tái)，如帶花崗巖基座及相應(yīng)高分辨率線性編碼器的平臺(tái)。圖3展示了測(cè)量到的配備線性編碼器的LS-110平臺(tái)的最小增量運(yùn)動(dòng)。通過精確分離的各步，可清晰看到50nm的分辨率。負(fù)載的平穩(wěn)變化不會(huì)影響該精度。

　　速度控制

　　圖4：帶受控兩相步進(jìn)電機(jī)的PLS-85，速度 100nm/s

　　速度，通常指的是最大可實(shí)現(xiàn)的速度，是選擇定位系統(tǒng)的一個(gè)決定性參數(shù)，但有些應(yīng)用中卻要求十分緩慢且平穩(wěn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。這對(duì)于步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)都是一大挑戰(zhàn)。系統(tǒng)管理控制器的速度控制可保證平臺(tái)速度在<< 1 μm/s的范圍內(nèi)達(dá)到完美的穩(wěn)定性。圖4列出了配備分辨率為10nm的集成式線性編碼器的PLS-85平臺(tái)的測(cè)量結(jié)果。速度設(shè)為100nm/s，相當(dāng)于360μm/h或大約10mm/d的進(jìn)給。運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)。由于干涉儀的分辨率為5nm，每一步都在此單獨(dú)列出。

　　無校正

　　有校正

　　導(dǎo)向裝置和驅(qū)動(dòng)裝置的質(zhì)量通常會(huì)對(duì)可實(shí)現(xiàn)的定位精度有所限制，例如，主軸間距的非線性將導(dǎo)致被控制位置的偏差。有些應(yīng)用中，改善絕對(duì)定位精度十分重要，而雙向可重復(fù)性則無關(guān)緊要。系統(tǒng)管理控制器中的錯(cuò)誤校正保存測(cè)量到的偏差，然后相應(yīng)地校正目標(biāo)位置。圖5展示的是LS-180在100nm的行程范圍內(nèi)目標(biāo)位置與實(shí)際位置之間32μm的位置偏差。測(cè)量包括運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)方向;平均雙向可重復(fù)性為1.78μm。從圖6中可看到結(jié)果：偏差顯著減小，僅約為±1.5μm?？芍貜?fù)性可通過利用位置控制進(jìn)行進(jìn)一步改善。