1.簡介

直驅是指直接驅動，是新型的電機直接和運動執(zhí)行部分結合，即電機直接驅動機器運轉，沒有中間的機械傳動環(huán)節(jié)，相對常規(guī)驅動技術它使控制環(huán)可獲得極高增益，其反饋亦是檢測最終的位置避免了傳動環(huán)節(jié)的耦合誤差和擾動，具有靜態(tài)精度高動態(tài)性能好的優(yōu)勢。直接驅動技術的優(yōu)點是摩擦小、維護工作量小和生產(chǎn)效率高。

典型的直接驅動技術的應用包括，以直線電機為核心驅動元件的直線運動部件和以力矩電機為核心驅動元件的回轉運動元件（引自百度詞條）。直驅的核心包括驅動部分和位置反饋（感知）部分，驅動部分，執(zhí)行部分，包括動子、定子、線圈等，感知部分包括磁柵、光柵、容柵等，結構可以是線性測量的，也可以是角度測量的。本文以著重從驅動的原理出發(fā)，分析了不同的應用場合下直驅應用中位置反饋方案的對比和提高。

2.應用背景

一個完整的直驅部件，包括執(zhí)行部分（線圈、磁鋼、壓電瓷片等）、位置反饋部分和

驅動部分（驅動器），首先需要了解伺服驅動器如何使用位置反饋數(shù)據(jù)。

在伺服驅動器里（直線電機或普通伺服電機），光柵尺數(shù)據(jù)分別去往電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)3部分，在電流環(huán)里編碼器數(shù)據(jù)被用來確認動子和定子的相對位置確認磁場施加的正確位置，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磁截距內(nèi)有10位分辨率即可，通常的直線電機磁截距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20000/1000=20微米，保守下10微米就夠了。在速度環(huán)中，編碼器數(shù)據(jù)用來確認當前動定子的相對速度，通常電流環(huán)頻率是每秒10K次或更低，速度環(huán)是電流環(huán)的四分之一（2.5K）或一半（5K），在每次速度閉環(huán)中必需保證能夠有效的得到足夠多的數(shù)據(jù)(至少能夠得到1個數(shù)據(jù))才能保證速度環(huán)的PI輸出是穩(wěn)定的，以2.5K的速度環(huán)為例，每次閉環(huán)時間是400微秒，在400微秒必須至少得到1個光柵數(shù)據(jù)才能保證PI輸出是穩(wěn)定的，如果用1微米的分辨率，那么最低速度是2.5mm/s,低于這個速度將導致運行的不平順（電流環(huán)比例積分波動巨大），這是極限情況，通常速度環(huán)周期需要更多的脈沖來滿足速度的平順度.通常需要直線電機最終的定位精度是微米級，因此位置環(huán)一般微米極就夠了，通常位置環(huán)的需要的分辨率是需要的重復定位精度的2-5倍，如果重復是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。對于只需要最終定位的應用場合，不考慮中間的運行平穩(wěn)情況（機器人抓取、送料等），那么可以選擇光柵的分辨率低些，只保證位置環(huán)定位就好；對于需要中間狀態(tài)也很平穩(wěn)的場合（機床加工、3D打印、線切割），就需要很高的分辨率，保證刀具的壽命，加工的表面效果。

常見的位置傳感器包括磁柵尺、光柵尺等，如何選在在直驅部件的應用需要結合其自身的特點。

3.磁柵

磁柵位置傳感器是利用矯頑力比較強的材料擠壓成長線型或圓環(huán)后，對其按照一定均勻周期充磁，然后利用磁頭讀取，輸出信號既可以作為位置反饋數(shù)據(jù)，整個原理和原來的收錄機是類似的（知名的德國磁柵尺廠家伯根原來就是磁帶和磁頭生產(chǎn)廠家，很多原來收錄機磁頭都是由伯根生產(chǎn)），整個磁柵位置傳感器結構和原理比較簡單，柵距通常在1-5mm之間。磁柵位置傳感器有很多優(yōu)勢，

首先由于采用利用矯頑力較強磁作為位置基礎，生產(chǎn)成本較低，對油、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。由于是利用磁作為位置的基礎，因此必須保證被充磁材料的性能穩(wěn)定，包括熱膨脹系數(shù)。

此類磁柵的原始線速低所以分辨率較低，限制了控制上的精細程度。其細分誤差大于光柵，如果細分誤差增加進給驅動將無法吻合誤差曲線。那么細分誤差導致的電流分量使電機噪聲增大和電機發(fā)熱量增加。如果系統(tǒng)設置相同的話，相同編碼器的細分誤差與調(diào)整質量有關，調(diào)整質量差誤差大，電機電流產(chǎn)生的噪聲也大。這也造成電機噪聲加大和發(fā)熱量增加。

直線驅動通常用數(shù)字濾波器改善位置信號的平滑性能。但是，速度控制環(huán)中的濾波帶來的附加相位延遲必須盡可能小，否則動態(tài)精度不高。信號質量高的位置編碼器可以減少濾波器的使用，也就是說更有利于保證控制環(huán)帶寬。

高性能磁柵位置傳感器采用特殊的工藝和技術提高分辨率和精度，降低新分誤差，避免退磁或讀數(shù)頭被磁化產(chǎn)生換向間隙等缺陷。典型有日本索尼和德國AMO（已經(jīng)被海德漢收購）的磁柵尺。索尼的磁柵尺每米測量精度可達正負5um，所采用的材料與制作工藝可以保證柵尺幾十年不退磁，磁帶錄磁均勻，且采用封閉式結構，抗干擾能力非常強，對使用環(huán)境中的油污、粉塵以及電磁干擾有較強的屏蔽；于常規(guī)的磁柵讀數(shù)頭相比，索尼的磁柵讀數(shù)頭采用磁平衡方式讀取，幾乎消除了困擾磁柵的換向間隙，時索尼的磁柵尺精度很高，成本也很高。作為高性能磁柵的代表AMO磁柵產(chǎn)品，鋼柵尺、感應線圈、激勵線圈以及控制電路組成。在測量過程中，線圈與標尺之間的相對位移使感應線圈中的電壓因互感系數(shù)的變化而產(chǎn)生變化。利用處理電路對輸出的感應線圈信號進行處理，即可得出在一個磁柵間距內(nèi)發(fā)生的相對位移，示意圖如圖所示。

圖1

如圖1，控制電路與線圈繞組相連，其中包含兩種類型的繞組，分別是激勵線圈和感應

線圈，這些線圈結構均沿著量測方向平伸。在圖中，一次繞組為激勵線圈，每個繞組都相互連接。而二級繞組則為感應線圈，這些繞組都是成對使用連接的，間距為(m+1/4)λ，其中λ為磁柵尺的柵條的間隔距離，m是正整數(shù)。當激勵線圈施加正弦激勵信號時，在測量方向的相對運動會在讀數(shù)頭和尺身之間改變感應線圈間的周期性交互作用，兩組感應線圈之間就會產(chǎn)生相位差為π/2的感應電動勢，即sin和cos波形如圖2所示。通過后置的處理電路進行數(shù)據(jù)處理后可以測得位移量的變化；整個機構類似于展開的磁節(jié)距很小的旋轉變壓器。

圖2

該磁柵位移傳感的讀數(shù)頭信號品質較準確，且可抵抗環(huán)境不利影響，因此在經(jīng)過運算電路的信號穩(wěn)定之后，其正弦波偏差很小。此結果也允許了更高的分割律，使其分辨率得以進一步提高，其避免使用磁材性料本質上克服了退磁和換向間隙問題。

高性能磁柵大幅彌補了分辨率、精度、細分誤差、退磁等方面的缺陷，但是分辨率和細分誤差和較高端的光柵還有明顯差距，高性能磁柵的工藝復雜其成本對光柵沒有優(yōu)勢。

4.光柵

光柵以微小精密柵距作為位移測量基準（主要指非莫爾條紋方式讀取的高精度光柵），光通過柵格發(fā)生的衍射、干涉等物理現(xiàn)象形成含有位置信息的測量信號，通過解算光電信號得到位移信息，其精度和分辨率優(yōu)于磁柵。

根據(jù)光柵的結構，可以把光柵尺分為封閉式光柵尺和開放式光柵尺。封閉式光柵尺降低了安裝要求，其封閉式結構能隔離掉部分污染，外殼對玻璃基材柵尺有保護作用，缺點是增大了體積，長度不能靈活定制，測量行程有限，并且由于部分接觸測量，速度響應會有一定的限制。封閉式光柵尺多為玻璃光柵（西班牙FAGOR有部分鋼帶式封閉光柵尺），其柵尺膨脹系數(shù)和床體或直線電機不同，檢測光柵部分非剛性連接。封閉式光柵尺的代表有德國海德漢公司的LC系列光柵尺和日本三豐公司的AT系列光柵尺。開方式光柵尺更加小型化、輕型化，檢測光柵部分剛性連接使控制環(huán)可獲得極高增益。其中鋼柵類尺的長度可以靈活裁剪，測量行程不受限，柵尺的膨脹系數(shù)和床體或直線電機相同。缺點是容易被污染，工藝難度高（只能做反射式光柵）。開方式光柵尺的代表有英國雷尼紹公司的RGH、QUANTiC、TONiC等系列光柵尺，德國海德漢的LIDA、LIP系列光柵尺，中國大連榕樹光學RU與RX系列直線光柵尺。

開方式光柵尺的讀數(shù)頭和尺身需要獨立安裝，很難保證相對位置的精準性，因此開放式光柵尺必須擁有比封閉式光柵尺更大的安裝容差，封閉式光柵尺所采用的“莫爾條紋”的讀取方式對尺身與讀取結構的相對位置要求非常苛刻。所以，為保證開放光柵相對寬泛的安裝容差，在應用時必須采用衍射式光柵的讀數(shù)方法，確保信號讀取穩(wěn)定的同時，精度比莫爾條紋高50%以上。開放式光柵尺另外一個核心問題是污染，對采用多場掃描的讀數(shù)頭來說污染是一個致命的問題，它將導致信號的失真乃至完全讀取失敗。單場掃描的讀取方式則在這方面有巨大的優(yōu)勢，幾乎不怕污染，因此，采用單場掃描是反射式開放光柵尺抗污的關鍵。

以榕樹光學的RX系列光柵尺為例，由于采用最先進的光學零位檢測技術和高速大面積單場掃描技術、自動增益控制技術、自動糾偏技術，可以保證在柵尺和讀數(shù)頭在正負0.2mm安裝偏差下零位刻線和位置刻線的有效讀取，定位精度高，抗污染能力強，對污染不敏感，安裝調(diào)節(jié)方便，其原理示意如圖3。

圖3 RX系列光柵尺原理示意圖

零點檢測的大面積單場掃描技術：

RX系列讀數(shù)頭采用先進的帶零點檢測大面積單場掃、描技術，光源發(fā)出的分散光經(jīng)過透鏡，調(diào)整為平行光束，經(jīng)過光柵上的窗口濾掉多余光束后，照射到柵尺上，經(jīng)柵尺反射后形成明暗條紋，經(jīng)過窗口上的光柵衍射自干涉后照射到單場掃描傳感器上。零位傳感器與單場掃描傳感器集成在同一芯片上。當柵尺上有零點時，零位傳感會讀取到零位處的特殊條紋，形成零位信號。

單場掃描的高抗污染能力：

經(jīng)過測試，RX系列讀數(shù)頭在經(jīng)過類似上圖的粉塵、油墨、劃痕等高污染的情況下，測量精度僅受到幾十納米的影響，且信號的李薩茹圖形僅幅值受到一點影響，經(jīng)過測試，不會出現(xiàn)直流偏差，幅值不均等失真。更不會導致讀數(shù)頭無法工作。RX系列讀數(shù)頭的單場掃描只在一個傳感器上輸出Sin+，Sin-，Cos+，Cos-信號，不同于四場掃描需要四個傳感器輸出信號，當柵尺上有污染時，信號的幅值，同時發(fā)生變化而造成失真。

自動增益控制技術：

自動增益控制可以有效減少由于污染對開放式光柵尺的影響，目前英國雷尼紹的QUANTIC系列、VONIC系列、德國海德漢LIDA4系列、中國大連榕樹光學RU系列、RX系列都應用了自動增益控制技術，以上產(chǎn)品都有抗污染性能。

開方式光柵尺廣泛用于測量值精度要求極高的應用中，盡管機械結構是敞開式的，但它抗污染能力強，長期穩(wěn)定性好、安裝速度快、安裝方便在直接驅動領域有廣泛的應用前景。

5.各自的特點

如表1所示磁柵魯棒性好抗污染能力強行程大但是精度、分辨率和細分誤差要比光柵要差，光柵的抗污弱項。上文介紹的高性能磁柵和開方式光柵尺都一定程度上彌補了各自的短板，但是也提高了工藝的復雜程度增加了成本。磁柵和光柵的選擇還是要綜合考慮應用的要求和成本。

6.不同應用的要求

對精度要求較高而且控制的中間狀態(tài)也很平穩(wěn)的場合，例如：半導體行業(yè)的生產(chǎn)和測量設備、PCB電路板組裝機、高精度機床、3D打印、線切割以及測量機等應用只有光柵和個別高性能磁柵可以勝任。

對于超精密的應用，如精密半導體加工只有衍射光柵可以勝任。

對抗污染要求高的場合，如噴繪、UV打印等優(yōu)先考慮磁柵和開方式光柵尺。

只需要最終定位的應用場合，如機器人抓取、送料等可選用磁柵和低成本光柵。

對抗沖擊要求高的場合，優(yōu)先考慮磁柵和鋼帶柵尺的開方式光柵尺。

對不允許使用鐵磁材料的場合，如用于檢測微電子電路的電子束顯微鏡應用上只能選擇光柵。

對成本要求高的場合，優(yōu)先考慮使用磁柵。

7.未來用于直驅的反饋趨勢

自動化技術和半導體工業(yè)需要更高精度和更高速度的機床和定制化加工設備來滿足日趨強烈的小型化、質量和降低成本的要求。直線電機對一個或多個進給軸的高動態(tài)應用越來越重要。直接驅動技術的優(yōu)點是摩擦小、維護工作量小和生產(chǎn)效率高。但這種性能和效率的提高有賴于控制系統(tǒng)、電機和位置編碼器間相互協(xié)調(diào)和最佳配合。直接驅動對測量信號質量提出了更高要求。未來用于直驅的反饋需要提供了精度、速度穩(wěn)定和溫度特性的保證，需要向小型、輕型、高精度、高動態(tài)響應的方向發(fā)展。