直线运动系统存在于无数机器中，仅举几个例子，包括精密激光切割系统、实验室自动化设备、半导体制造机器、CNC机器、工厂自动化和许多其他设备。它们从相对简单的(如乘用车中的廉价座椅致动器)到复杂的多轴坐标系，包括用于闭环定位的控制和驱动电子设备。无论多简单或多复杂的直线运动系统，在最基本的层面上，它们都有一个共同点：在特定的时间内将负载移动一段直线距离。
设计直线运动系统最常见的问题之一是电机技术。技术一旦选定，电机的尺寸需要满足负载加速的要求，克服系统摩擦力和重力的影响，同时保持安全的最高工作温度。电机的扭矩、速度、功率和定位能力是电机设计、驱动和控制的函数。
一、应该从什么电机入手？
用特定电机技术设计直线运动系统时，需要考虑很多应用问题。对整个过程的详细解释超出了本文的范围。目的是让你在与汽车供应商交谈时考虑问正确的问题。
没有适合所有应用的最佳电机，但有适合特定应用的最佳电机。在大多数增量运动应用中，可以选择步进电机、无刷DC电机或无刷DC电机。最复杂的运动系统可以使用直接耦合到负载的线性电机，避免了机械功率转换的需要；不需要通过螺杆/滚珠螺杆、齿轮箱或滑轮系统进行平移。虽然具有无芯直接驱动的线性伺服系统可以实现最高的精度、可重复性和定位分辨率，但是与旋转电机相比，它们具有最高的成本和复杂性。使用旋转电机的架构要便宜得多，可以满足大多数直线运动应用。
步进电机、有刷电机、无刷电机都视为DC电机；然而，有一些微妙之处会导致工程师在特定应用中更喜欢一种类型而不是另外两种类型。必须强调的是，这种选择高度依赖于系统的设计要求，不仅在速度和扭矩方面，而且在定位精度、可重复性和分辨率方面。没有适用于所有应用的完美电机，所有决策都需要在设计中进行权衡。在最基本的层面上，所有电机，无论是交流电机还是DC电机、有刷电机、无刷电机或任何其他电机，都是根据相同的物理原理来产生扭矩的：磁场的相互作用。然而，这些不同电机技术在具体应用中的响应模式存在巨大差异。
步进、有刷伺服和无刷伺服电机技术都采用DC电源供电。对于线性运动应用，这并不意味着固定的DC电源可以直接应用于电机绕组。需要电子设备来控制绕组电流(与输出转矩有关)和绕组电压(与输出速度有关)。这三种技术的优缺点总结如下。线性系统的设计从负载质量和负载从A点移动到b点所需的速度开始。电机类型、尺寸和机械设计从移动负载所需的功率(瓦特)开始。从负载开始，最后通过所有组件返回到驱动电源，分析是一系列步骤，以了解从系统的一部分到另一部分的功率转换，同时考虑中间组件的各种效率。以电压和电流形式进入驱动器的功率最终会转换为机械输出功率，在特定时间内驱动给定的负载。
为了获得负载所需输出功率的指示，简单的功率计算将有助于电机运行。知道了所需的平均输出功率后，再回到电机，驱动各种功率转换元件，就完成了功率需求的分析。应参考制造商的数据来考虑各种组件的效率，因为这将最终决定电机和电源的大小。
二、在要求的时间内移动负载需要多少功率？
克服重力举起一个9公斤重的物体大约需要88N的力。计算移动负载所需的功率将为确定系统其余部分的组件提供一个起点。这是在1秒钟内将9公斤的质量从A点垂直移动到B点所需的平均功率。包括诸如非摩擦的系统损失。根据系统中使用的其他部件，如齿轮箱和丝杠，所需的电机轴功率会略高。
P=(F S)/t
P=(88N 0.2m)/1.0s=17.64w
这不同于系统所需的峰值功率。一旦考虑到加速和减速，运动曲线中的瞬时功率会略高；然而，负载所需的平均输出功率约为18瓦。在对所有组件进行彻底分析后，像这样的系统将需要大约37w的峰值功率来完成这项工作。这些信息和各种其他应用规范现在将有助于选择最合适的电机技术。
三、应该考虑什么样的电机技术？
出色的定位能力和相对简单的控制会引导设计者首先考虑使用步进电机的可能性。然而，步进电机在满足负载需求的同时，不能满足小型机械占地面积的要求。37W的峰值功率要求将需要非常大的步进电机。虽然步进电机在低速时具有非常高的扭矩，但运动曲线的峰值速度和功率要求超过了除最大步进电机之外的所有步进电机的能力。
有刷DC伺服电机会满足负载要求，机械占地面积小，低速旋转非常稳定；然而，由于严格的EMC要求，最好避免在这种特殊应用中使用有刷电机。与无刷系统相比，这将是一种更便宜的替代方案，但可能很难通过任何严格的EMC要求。采用正弦驱动系统的无刷DC电机将是满足所有应用要求的首选，包括负载和运动曲线(高功率密度)；低速平稳无齿轮运动；和小的机械足迹。在这种情况下，由于高频开关驱动电子设备，仍然存在潜在的EMI特性；但由于频带较窄，可以采用在线滤波来缓解这种情况。有刷DC电机具有更宽的EMI特性，这使得其滤波更具挑战性。
四、电机选择只是开始
在本文中，我们简要讨论了设计人员在为相对简单的直线运动应用选择电机技术时需要考虑的各种因素。虽然对于更复杂的系统(如XY工作台或多轴精密机构)原理是一样的，但需要单独分析各轴的负载。本文范围之外的另一个考虑因素是如何选择合适的安全系数来满足系统的预期寿命(循环次数)。系统的寿命不仅取决于电机的大小，还取决于系统中的其他机械部件，如齿轮箱和螺杆组件。其他因素如定位精度、分辨率、可重复性、最大滚动、俯仰和偏航等。
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