直驅(qū)是指直接驅(qū)動(dòng)，是新型的電機(jī)直接和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部分結(jié)合，即電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，沒(méi)有中間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，相對(duì)常規(guī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)它使控制環(huán)可獲得極高增益，反饋同時(shí)也檢測(cè)最終的位置，避免了傳動(dòng)環(huán)節(jié)的耦合誤差和擾動(dòng)，具有靜態(tài)精度高動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)勢(shì)。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是摩擦小、維護(hù)工作量小、生產(chǎn)效率高。

典型的直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用包括，以直線電機(jī)為核心驅(qū)動(dòng)元件的直線運(yùn)動(dòng)部件和以力矩電機(jī)為核心驅(qū)動(dòng)元件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)元件。直驅(qū)的核心包括執(zhí)行部分、位置反饋（感知）部分、驅(qū)動(dòng)部分。執(zhí)行部分包括動(dòng)子、定子、線圈等，感知部分包括磁柵、光柵、容柵等，結(jié)構(gòu)可以是線性測(cè)量的，也可以是角度測(cè)量的。本文著重從位置反饋部分出發(fā)，分析了不同的應(yīng)用場(chǎng)合下直驅(qū)應(yīng)用中反饋方案對(duì)比和提高應(yīng)用效果的分析。

一、技術(shù)背景

一個(gè)完整的直驅(qū)系統(tǒng)，包括執(zhí)行部分（線圈、磁鋼、壓電瓷片等）、位置反饋部分和驅(qū)動(dòng)部分（驅(qū)動(dòng)器），要提高直驅(qū)系統(tǒng)的整體效果，首先需要了解伺服驅(qū)動(dòng)器如何使用位置反饋數(shù)據(jù)。

在直驅(qū)伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，光柵尺數(shù)據(jù)分別去往電流環(huán)（也稱(chēng)力矩環(huán)）、速度環(huán)、位置環(huán)3部分，在電流環(huán)里光柵尺數(shù)據(jù)被用確認(rèn)磁場(chǎng)施加的正確位置，通常電流環(huán)的PWM發(fā)生器是10位的，因此只要保證在一個(gè)磁周期內(nèi)有10位分辨率即可，通常的直線電機(jī)磁周期20毫米以上，因此電流環(huán)只要滿足在20毫米的范圍內(nèi)能夠有10位的有效分辨率就好，折合電流環(huán)需要的分辨率約20000/1024=20微米，2倍冗余情況下10微米就夠了。

結(jié)論：在直驅(qū)系統(tǒng)中電流環(huán)需要的有效分辨率是10微米。

在速度環(huán)中，編碼器數(shù)據(jù)用來(lái)確認(rèn)當(dāng)前動(dòng)子和定子的相對(duì)速度，通常電流環(huán)運(yùn)行頻率是每秒10K，速度環(huán)運(yùn)行頻率是電流環(huán)的四分之一（2.5K，400us）或一半（5K，200us），在每次速度環(huán)運(yùn)行時(shí)必須保證能夠得到足夠多的數(shù)據(jù)才能保證速度環(huán)給電流環(huán)的指令是穩(wěn)定的，以2.5K的速度環(huán)為例，每次閉環(huán)時(shí)間是400us，在400us需要得到1個(gè)光柵脈沖才能保證輸出的電流指令穩(wěn)定，如果用1微米的分辨率的光柵尺，最低速度是2.5mm/s,低于這個(gè)速度將導(dǎo)致運(yùn)行的不平順（電流環(huán)指令波動(dòng)明顯），這是極限情況，通常速度環(huán)周期需要更多的脈沖來(lái)滿足速度的平順度。

結(jié)論：在直驅(qū)系統(tǒng)中高分辨率光柵尺是速度穩(wěn)定平順的關(guān)鍵。

通常直線電機(jī)需求的位置精度是微米級(jí)，因此位置環(huán)微米級(jí)就夠了，通常位置環(huán)的選擇的分辨率是重復(fù)精度需求的2-3倍，如果重復(fù)精度要求是2微米，那么位置環(huán)的光柵尺分辨率要1微米或0.5微米。

結(jié)論：在直驅(qū)系統(tǒng)中位置環(huán)需要的分辨率是重復(fù)定位精度需求的2-3倍。

根據(jù)以上的分析，可以得到下面結(jié)論：

1、對(duì)于只需要最終定位的應(yīng)用場(chǎng)合，不考慮中間的運(yùn)行平穩(wěn)情況（例如抓取、運(yùn)輸送料等），那么可以選擇光柵的分辨率低些，保證選擇的柵尺有效分辨率是最終定位精度的2-3倍就可以滿足要求。

2、對(duì)于需要最終的定位精準(zhǔn)度，還需要平穩(wěn)運(yùn)行軌跡的場(chǎng)合（機(jī)床加工、激光直寫(xiě)、ITO刻蝕），需要柵尺較高的分辨率，保證機(jī)床刀具使用壽命，加工的過(guò)程效果。

3、對(duì)于要求直線電機(jī)工作效率的場(chǎng)合，例如LED固晶機(jī)、焊線機(jī)等，高分辨率柵尺有利于提高直線電機(jī)的響應(yīng)速度；伺服驅(qū)動(dòng)器輸出波動(dòng)小，縮短了系統(tǒng)整定時(shí)間（穩(wěn)定時(shí)間），進(jìn)而提高了電機(jī)的執(zhí)行效率。

4、直線電機(jī)應(yīng)用高分辨率的柵尺，可以顯著降低伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出的電流波動(dòng)，降低長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)電機(jī)線圈的溫度，降低振動(dòng)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，熱量的減少也有利于提高設(shè)備的重復(fù)精度，保持精度的持久性。

以上結(jié)論同樣適用于旋轉(zhuǎn)DD馬達(dá)。

二、常用的直驅(qū)位置反饋方案

1、磁柵位置傳感器是利用矯頑力比較強(qiáng)的材料擠壓成長(zhǎng)線型或圓環(huán)后，對(duì)其按照一定均勻周期充磁，然后利用磁頭讀取，輸出信號(hào)作為位置反饋數(shù)據(jù)，原理磁帶收錄機(jī)是類(lèi)似的（知名的德國(guó)磁柵尺廠家伯根原來(lái)是磁帶和磁頭生產(chǎn)廠家，原來(lái)收錄機(jī)磁頭很多由伯根生產(chǎn)），整個(gè)磁柵位置傳感器原理比較簡(jiǎn)單，柵距通常在1-5mm之間。磁柵位置傳感器有很多優(yōu)勢(shì)。

首先由于采用磁性材料作為位置基礎(chǔ)，生產(chǎn)成本較低，對(duì)油、水、灰塵等常規(guī)污染不敏感，因此在很多惡劣環(huán)境中可以勝任。由于利用磁作為位置的基礎(chǔ)，因此必須保證被充磁材料的性能穩(wěn)定。

此類(lèi)磁柵的原始充磁柵距較大，限制了控制上的精細(xì)程度。原始信號(hào)細(xì)分后誤差相對(duì)較大。細(xì)分誤差導(dǎo)致的電流分量使電機(jī)噪聲增大和電機(jī)發(fā)熱量增加。

高性能磁柵位置傳感器采用特殊的工藝技術(shù)提高分辨率和精度，降低誤差，避免退磁或讀數(shù)頭被磁化產(chǎn)生換向間隙等缺陷。德國(guó)AMO（已經(jīng)被海德漢收購(gòu)）的磁柵尺，作為高性能磁柵的代表，AMO磁柵尺由刻蝕柵尺、感應(yīng)線圈、激勵(lì)線圈以及控制電路組成。

在測(cè)量過(guò)程中，線圈與標(biāo)尺之間的相對(duì)位移使感應(yīng)線圈中的電壓因互感系數(shù)的變化而產(chǎn)生變化。利用處理電路對(duì)輸出的感應(yīng)線圈信號(hào)進(jìn)行處理，即可得出在一個(gè)磁柵間距內(nèi)發(fā)生的相對(duì)位移，示意圖如圖所示。

▲圖1

整個(gè)機(jī)構(gòu)類(lèi)似于展開(kāi)的磁節(jié)距很小的旋轉(zhuǎn)變壓器。AMO讀數(shù)頭信號(hào)品質(zhì)較準(zhǔn)確，可抵抗環(huán)境不利影響，因此在經(jīng)過(guò)運(yùn)算電路的信號(hào)穩(wěn)定之后，正弦波偏差很小，實(shí)現(xiàn)了高分辨率，克服了普通磁柵尺退磁和換向間隙問(wèn)題。

2、光柵尺柵距較小，光通過(guò)柵格發(fā)生的衍射、干涉等物理現(xiàn)象形成含有位置信息的測(cè)量信號(hào)，通過(guò)計(jì)算光電信號(hào)得到位移信息，常規(guī)的反射式光柵尺結(jié)構(gòu)如圖2

▲圖2

平行光在柵尺反射后經(jīng)過(guò)引導(dǎo)光柵，最終在感光二極管陣列上成像，成像形成的SIN和COS信號(hào)質(zhì)量很高，幾乎不含有諧波成分，經(jīng)過(guò)數(shù)字細(xì)分后可以得到很高的有效分辨率。

由于利用光作為測(cè)量介質(zhì)，柵尺容易被污染，很小的柵距使柵尺的生產(chǎn)成本較高。采用成像原理的光柵尺的代表有RENISHAW公司的RGH、QUANTiC、TONiC系列光柵尺，德國(guó)海德漢的LIDA系列光柵尺。

三、可能的理解誤區(qū)

1、高精度（絕對(duì)精度、重復(fù)精度）的應(yīng)用可以用高分辨率讀數(shù)頭來(lái)提高精度。

建議：精度最大的影響是機(jī)臺(tái)和柵尺，和讀數(shù)頭分辨率關(guān)系不大。

2、柵尺絕對(duì)精度最重要。

建議：柵尺的絕對(duì)精度通?？梢酝ㄟ^(guò)后期的補(bǔ)償完成，柵尺最重要的參數(shù)是線性度，在統(tǒng)計(jì)上稱(chēng)作標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差越低，說(shuō)明柵尺的誤差越趨近于Y=kX的直線，補(bǔ)償起來(lái)更容易，電機(jī)運(yùn)行時(shí)波動(dòng)越小，調(diào)整時(shí)間越短，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行電機(jī)動(dòng)子溫度越低，機(jī)臺(tái)精度越容易保持。

3、高細(xì)分倍數(shù)的可以使直線電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)。

建議：對(duì)于相同柵距柵尺，高的細(xì)分倍數(shù)可以提高運(yùn)行的平穩(wěn)，如果柵距不同，即使細(xì)分后得到相同的分辨率，小柵距的光柵尺對(duì)運(yùn)行平穩(wěn)更有優(yōu)勢(shì)。以海德漢的LIDA200(200微米柵距)光柵尺和LIDA400（20微米柵距）對(duì)比，同樣條件下LIDA200比LIDA400運(yùn)行時(shí)吵鬧很多，工作一段時(shí)間后LIDA200電機(jī)線圈溫度比LIDA400高很多。

4、光柵尺分辨率越高越好

建議：通常使用光柵成像原理的光柵尺讀數(shù)頭原始信號(hào)綜合失真率在0.5%-2%左右，因此細(xì)分倍數(shù)在200-400倍之間最合適，例如20微米柵距的光柵尺最高分辨率可以在0.1微米或0.05微米。更高的分辨率需求應(yīng)當(dāng)使用更小柵距的光柵尺、把LED光源換成波長(zhǎng)更純凈的激光光源、增加光衍射的次數(shù)、采用激光干涉方式的讀數(shù)頭（例如海德漢的LIP系列光柵尺或索尼的小柵距光柵尺）。

5、直線電機(jī)執(zhí)行效率低，不能滿足要求，換大推力電機(jī)，換大電流驅(qū)動(dòng)器。

建議：換大推力電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器可能解決問(wèn)題，如果電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器不換，把磁柵尺換成光柵尺或者換更高分辨率的讀數(shù)頭可能同樣解決問(wèn)題，而且代價(jià)更小。

四、實(shí)例

1、東莞某生產(chǎn)激光加工設(shè)備客戶的直線電機(jī)平臺(tái)設(shè)備原來(lái)整定時(shí)間沒(méi)有問(wèn)題，換了光柵尺后生產(chǎn)的平臺(tái)整定時(shí)間不穩(wěn)定，經(jīng)常超過(guò)出廠要求。

過(guò)程：經(jīng)過(guò)了解，客戶原來(lái)使用20微米柵距模擬量輸出的光柵尺，配合高創(chuàng)驅(qū)動(dòng)器，后換成數(shù)字輸出0.5微米讀數(shù)頭。高創(chuàng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部4096倍細(xì)分，因此用模擬量光柵尺最終機(jī)臺(tái)整定時(shí)間是優(yōu)于0.5微米數(shù)字量的光柵尺的，模擬量的光柵尺經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后可以感知的位置更細(xì)膩，控制起來(lái)更容易。

2、大連某半導(dǎo)體固晶設(shè)備生產(chǎn)客戶，反應(yīng)直線電機(jī)精度沒(méi)有問(wèn)題，運(yùn)行很吵，帶了負(fù)載后更吵，很大的嗡嗡聲。

過(guò)程：經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)了解，客戶使用ELMOG系列驅(qū)動(dòng)器，調(diào)整驅(qū)動(dòng)器參數(shù)無(wú)效，后來(lái)發(fā)現(xiàn)客戶的使用的是200微米柵距的光柵尺，查詢(xún)光柵尺資料了解，細(xì)分周期誤差3微米，換用20微米光柵尺后，噪音消除，帶負(fù)載時(shí)噪音也不明顯。

3、上海某UV平板打印設(shè)備客戶，反應(yīng)打印出的圖像有豎線。

過(guò)程：客戶的設(shè)備的噴墨頭使用直線電機(jī)帶動(dòng)，使用京瓷噴頭，位置反饋使用1微米分辨率的磁柵尺，驅(qū)動(dòng)器是臺(tái)達(dá)驅(qū)動(dòng)器。調(diào)整驅(qū)動(dòng)器參數(shù)無(wú)法解決，打印圖像明顯不均勻；通常磁柵尺的周期誤差在幾個(gè)微米，打印出圖像誤差是肉眼不可見(jiàn)的，但誤差是規(guī)律周期存在，打印出色塊出現(xiàn)類(lèi)似周期干涉條紋效果，就可以看到了。換成同樣1微米分辨率的光柵尺，問(wèn)題解決，打印均勻，條紋消失了。

4、蘇州某3C設(shè)備生產(chǎn)客戶，反應(yīng)機(jī)臺(tái)早晨開(kāi)機(jī)運(yùn)行一會(huì)后偶爾報(bào)跟蹤超差報(bào)警，重新啟動(dòng)設(shè)備后不再出現(xiàn)，如果設(shè)備不停機(jī)，現(xiàn)象就不會(huì)出現(xiàn)，懷疑光柵尺丟數(shù)。

過(guò)程：客戶使用直線電機(jī)，配合松下驅(qū)動(dòng)器，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試一直不出現(xiàn)問(wèn)題，現(xiàn)象無(wú)法復(fù)現(xiàn)。早晨用手推動(dòng)機(jī)臺(tái)，發(fā)現(xiàn)似乎沒(méi)有晚上關(guān)機(jī)后推動(dòng)順滑，阻力略大。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)直線電機(jī)動(dòng)子沒(méi)有霍爾傳感器，利用驅(qū)動(dòng)器自尋相完成首次磁場(chǎng)定位。分析早上啟動(dòng)，電機(jī)油脂粘度較大，造成磁場(chǎng)尋相不準(zhǔn)，電機(jī)效率降低。將電機(jī)的尋相電流適當(dāng)增加，問(wèn)題不再出現(xiàn)。

五、未來(lái)

以直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)DD馬達(dá)為代表的直驅(qū)系統(tǒng)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高、精度保持好，已經(jīng)在很多場(chǎng)合取代原有的絲桿和減速機(jī)；最早在蘋(píng)果系的生產(chǎn)線中得到了較大應(yīng)用。目前已經(jīng)在國(guó)產(chǎn)新能源、國(guó)產(chǎn)手機(jī)生產(chǎn)線等很多領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

如果直線電機(jī)和KK絲桿模組一樣實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)普通伺服電機(jī)一樣標(biāo)準(zhǔn)化，將更加有利于直驅(qū)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，隨著用于直驅(qū)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器、光柵尺、圓光柵成本進(jìn)一步下降，未來(lái)2年直驅(qū)產(chǎn)品成本將低于傳統(tǒng)的非直驅(qū)傳統(tǒng)產(chǎn)品，屆時(shí)除了超大推力要求或者垂直軸應(yīng)用場(chǎng)合，直驅(qū)產(chǎn)品將成為設(shè)計(jì)應(yīng)用的主流。