1.簡介

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，其反饋亦是檢測(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)工作量小和生產(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（引自百度詞條）。直驅(qū)的核心包括驅(qū)動(dòng)部分和位置反饋（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。本文以著重從驅(qū)動(dòng)的原理出發(fā)，分析了不同的應(yīng)用場合下直驅(qū)應(yīng)用中位置反饋方案的對(duì)比和提高。

2.應(yīng)用背景

一個(gè)完整的直驅(qū)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(qū)動(dòng)部分（驅(qū)動(dòng)器），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)。

在伺服驅(qū)動(dòng)器里（直線電機(jī)或普通伺服電機(jī)），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(rèn)動(dòng)子和定子的相對(duì)位置確認(rèn)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(gè)磁截距內(nèi)有10位分辨率即可，通常的直線電機(jī)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(rèn)當(dāng)前動(dòng)定子的相對(duì)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(gè)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(shí)間是400微秒，在400微秒必須至少得到1個(gè)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(gè)速度將導(dǎo)致運(yùn)行的不平順（電流環(huán)比例積分波動(dòng)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(jī)最終的定位精度是微米級(jí)，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(fù)定位精度的2-5倍，如果重復(fù)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(duì)于只需要最終定位的應(yīng)用場合，不考慮中間的運(yùn)行平穩(wěn)情況（機(jī)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(duì)于需要中間狀態(tài)也很平穩(wěn)的場合（機(jī)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(qū)部件的應(yīng)用需要結(jié)合其自身的特點(diǎn)。

3.磁柵

磁柵位置傳感器是利用矯頑力比較強(qiáng)的材料擠壓成長線型或圓環(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)既可以作為位置反饋數(shù)據(jù)，整個(gè)原理和原來的收錄機(jī)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(jī)磁頭都是由伯根生產(chǎn)），整個(gè)磁柵位置傳感器結(jié)構(gòu)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(shì)，

首先由于采用利用矯頑力較強(qiáng)磁作為位置基礎(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。由于是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，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(xì)程度。其細(xì)分誤差大于光柵，如果細(xì)分誤差增加進(jìn)給驅(qū)動(dòng)將無法吻合誤差曲線。那么細(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。如果系統(tǒng)設(shè)置相同的話，相同編碼器的細(xì)分誤差與調(diào)整質(zhì)量有關(guān)，調(diào)整質(zhì)量差誤差大，電機(jī)電流產(chǎn)生的噪聲也大。這也造成電機(jī)噪聲加大和發(fā)熱量增加。

直線驅(qū)動(dòng)通常用數(shù)字濾波器改善位置信號(hào)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(dòng)態(tài)精度不高。信號(hào)質(zhì)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(shù)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(cè)量精度可達(dá)正負(fù)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(jié)構(gòu)，抗干擾能力非常強(qiáng)，對(duì)使用環(huán)境中的油污、粉塵以及電磁干擾有較強(qiáng)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(shí)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(yīng)線圈、激勵(lì)線圈以及控制電路組成。在測(cè)量過程中，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

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(lì)線圈和感應(yīng)

線圈，這些線圈結(jié)構(gòu)均沿著量測(cè)方向平伸。在圖中，一次繞組為激勵(lì)線圈，每個(gè)繞組都相互連接。而二級(jí)繞組則為感應(yīng)線圈，這些繞組都是成對(duì)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(dāng)激勵(lì)線圈施加正弦激勵(lì)信號(hào)時(shí)，在測(cè)量方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)在讀數(shù)頭和尺身之間改變感應(yīng)線圈間的周期性交互作用，兩組感應(yīng)線圈之間就會(huì)產(chǎn)生相位差為π/2的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即sin和cos波形如圖2所示。通過后置的處理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后可以測(cè)得位移量的變化；整個(gè)機(jī)構(gòu)類似于展開的磁節(jié)距很小的旋轉(zhuǎn)變壓器。

圖2

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

高性能磁柵大幅彌補(bǔ)了分辨率、精度、細(xì)分誤差、退磁等方面的缺陷，但是分辨率和細(xì)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(fù)雜其成本對(duì)光柵沒有優(yōu)勢(shì)。

4.光柵

光柵以微小精密柵距作為位移測(cè)量基準(zhǔn)（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(cè)量信號(hào)，通過解算光電信號(hào)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)能隔離掉部分污染，外殼對(duì)玻璃基材柵尺有保護(hù)作用，缺點(diǎn)是增大了體積，長度不能靈活定制，測(cè)量行程有限，并且由于部分接觸測(cè)量，速度響應(yīng)會(huì)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(jī)不同，檢測(cè)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(cè)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(cè)量行程不受限，柵尺的膨脹系數(shù)和床體或直線電機(jī)相同。缺點(diǎn)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(xué)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(dú)立安裝，很難保證相對(duì)位置的精準(zhǔn)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(duì)尺身與讀取結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置要求非?？量?。所以，為保證開放光柵相對(duì)寬泛的安裝容差，在應(yīng)用時(shí)必須采用衍射式光柵的讀數(shù)方法，確保信號(hào)讀取穩(wěn)定的同時(shí)，精度比莫爾條紋高50%以上。開放式光柵尺另外一個(gè)核心問題是污染，對(duì)采用多場掃描的讀數(shù)頭來說污染是一個(gè)致命的問題，它將導(dǎo)致信號(hào)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(shì)，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(guān)鍵。

以榕樹光學(xué)的RX系列光柵尺為例，由于采用最先進(jìn)的光學(xué)零位檢測(cè)技術(shù)和高速大面積單場掃描技術(shù)、自動(dòng)增益控制技術(shù)、自動(dòng)糾偏技術(shù)，可以保證在柵尺和讀數(shù)頭在正負(fù)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(qiáng)，對(duì)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(diǎn)檢測(cè)的大面積單場掃描技術(shù)：

RX系列讀數(shù)頭采用先進(jìn)的帶零點(diǎn)檢測(cè)大面積單場掃、描技術(shù)，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(dāng)柵尺上有零點(diǎn)時(shí)，零位傳感會(huì)讀取到零位處的特殊條紋，形成零位信號(hào)。

單場掃描的高抗污染能力：

經(jīng)過測(cè)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(cè)量精度僅受到幾十納米的影響，且信號(hào)的李薩茹圖形僅幅值受到一點(diǎn)影響，經(jīng)過測(cè)試，不會(huì)出現(xiàn)直流偏差，幅值不均等失真。更不會(huì)導(dǎo)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(gè)傳感器上輸出Sin+，Sin-，Cos+，Cos-信號(hào)，不同于四場掃描需要四個(gè)傳感器輸出信號(hào)，當(dāng)柵尺上有污染時(shí)，信號(hào)的幅值，同時(shí)發(fā)生變化而造成失真。

自動(dòng)增益控制技術(shù)：

自動(dòng)增益控制可以有效減少由于污染對(duì)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(xué)RU系列、RX系列都應(yīng)用了自動(dòng)增益控制技術(shù)，以上產(chǎn)品都有抗污染性能。

開方式光柵尺廣泛用于測(cè)量值精度要求極高的應(yīng)用中，盡管機(jī)械結(jié)構(gòu)是敞開式的，但它抗污染能力強(qiáng)，長期穩(wěn)定性好、安裝速度快、安裝方便在直接驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

5.各自的特點(diǎn)

如表1所示磁柵魯棒性好抗污染能力強(qiáng)行程大但是精度、分辨率和細(xì)分誤差要比光柵要差，光柵的抗污弱項(xiàng)。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(bǔ)了各自的短板，但是也提高了工藝的復(fù)雜程度增加了成本。磁柵和光柵的選擇還是要綜合考慮應(yīng)用的要求和成本。

6.不同應(yīng)用的要求

對(duì)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(dǎo)體行業(yè)的生產(chǎn)和測(cè)量設(shè)備、PCB電路板組裝機(jī)、高精度機(jī)床、3D打印、線切割以及測(cè)量機(jī)等應(yīng)用只有光柵和個(gè)別高性能磁柵可以勝任。

對(duì)于超精密的應(yīng)用，如精密半導(dǎo)體加工只有衍射光柵可以勝任。

對(duì)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(yīng)用場合，如機(jī)器人抓取、送料等可選用磁柵和低成本光柵。

對(duì)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(duì)不允許使用鐵磁材料的場合，如用于檢測(cè)微電子電路的電子束顯微鏡應(yīng)用上只能選擇光柵。

對(duì)成本要求高的場合，優(yōu)先考慮使用磁柵。

7.未來用于直驅(qū)的反饋趨勢(shì)

自動(dòng)化技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)需要更高精度和更高速度的機(jī)床和定制化加工設(shè)備來滿足日趨強(qiáng)烈的小型化、質(zhì)量和降低成本的要求。直線電機(jī)對(duì)一個(gè)或多個(gè)進(jìn)給軸的高動(dòng)態(tài)應(yīng)用越來越重要。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(jī)和位置編碼器間相互協(xié)調(diào)和最佳配合。直接驅(qū)動(dòng)對(duì)測(cè)量信號(hào)質(zhì)量提出了更高要求。未來用于直驅(qū)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的方向發(fā)展。