直驱系统反馈技术详解及未来发展趋势

直驱是指直接驱动，是新型的电机直接和运动执行部分结合，即电机直接驱动机器运转，没有中间的机械传动环节，相对常规驱动技术它使控制环可获得极高增益，反馈同时也检测最终的位置，避免了传动环节的耦合误差和扰动，具有静态精度高动态性能好的优势。直接驱动技术的优点是摩擦小、维护工作量小、生产效率高。

典型的直接驱动技术的应用包括，以直线电机为核心驱动元件的直线运动部件和以力矩电机为核心驱动元件的回转运动元件。直驱的核心包括执行部分、位置反馈（感知）部分、驱动部分。执行部分包括动子、定子、线圈等，感知部分包括磁栅、光栅、容栅等，结构可以是线性测量的，也可以是角度测量的。本文着重从位置反馈部分出发，分析了不同的应用场合下直驱应用中反馈方案对比和提高应用效果的分析。

一、技术背景

一个完整的直驱系统，包括执行部分（线圈、磁钢、压电瓷片等）、位置反馈部分和驱动部分（驱动器），要提高直驱系统的整体效果，首先需要了解伺服驱动器如何使用位置反馈数据。

在直驱伺服驱动器内部，光栅尺数据分别去往电流环（也称力矩环）、速度环、位置环3部分，在电流环里光栅尺数据被用确认磁场施加的正确位置，通常电流环的PWM发生器是10位的，因此只要保证在一个磁周期内有10位分辨率即可，通常的直线电机磁周期20毫米以上，因此电流环只要满足在20毫米的范围内能够有10位的有效分辨率就好，折合电流环需要的分辨率约20000/1024=20微米，2倍冗余情况下10微米就够了。

结论：在直驱系统中电流环需要的有效分辨率是10微米。

在速度环中，编码器数据用来确认当前动子和定子的相对速度，通常电流环运行频率是每秒10K，速度环运行频率是电流环的四分之一（2.5K，400us）或一半（5K，200us），在每次速度环运行时必须保证能够得到足够多的数据才能保证速度环给电流环的指令是稳定的，以2.5K的速度环为例，每次闭环时间是400us，在400us需要得到1个光栅脉冲才能保证输出的电流指令稳定，如果用1微米的分辨率的光栅尺，最低速度是2.5mm/s,低于这个速度将导致运行的不平顺（电流环指令波动明显），这是极限情况，通常速度环周期需要更多的脉冲来满足速度的平顺度。

结论：在直驱系统中高分辨率光栅尺是速度稳定平顺的关键。

通常直线电机需求的位置精度是微米级，因此位置环微米级就够了，通常位置环的选择的分辨率是重复精度需求的2-3倍，如果重复精度要求是2微米，那么位置环的光栅尺分辨率要1微米或0.5微米。

结论：在直驱系统中位置环需要的分辨率是重复定位精度需求的2-3倍。

根据以上的分析，可以得到下面结论：

1、对于只需要最终定位的应用场合，不考虑中间的运行平稳情况（例如抓取、运输送料等），那么可以选择光栅的分辨率低些，保证选择的栅尺有效分辨率是最终定位精度的2-3倍就可以满足要求。

2、对于需要最终的定位精准度，还需要平稳运行轨迹的场合（机床加工、激光直写、ITO刻蚀），需要栅尺较高的分辨率，保证机床刀具使用寿命，加工的过程效果。

3、对于要求直线电机工作效率的场合，例如LED固晶机、焊线机等，高分辨率栅尺有利于提高直线电机的响应速度；伺服驱动器输出波动小，缩短了系统整定时间（稳定时间），进而提高了电机的执行效率。

4、直线电机应用高分辨率的栅尺，可以显著降低伺服驱动器的输出的电流波动，降低长时间工作时电机线圈的温度，降低振动，延长设备的使用寿命，热量的减少也有利于提高设备的重复精度，保持精度的持久性。

以上结论同样适用于旋转DD马达。

二、常用的直驱位置反馈方案

1、磁栅位置传感器是利用矫顽力比较强的材料挤压成长线型或圆环后，对其按照一定均匀周期充磁，然后利用磁头读取，输出信号作为位置反馈数据，原理磁带收录机是类似的（知名的德国磁栅尺厂家伯根原来是磁带和磁头生产厂家，原来收录机磁头很多由伯根生产），整个磁栅位置传感器原理比较简单，栅距通常在1-5mm之间。磁栅位置传感器有很多优势。

首先由于采用磁性材料作为位置基础，生产成本较低，对油、水、灰尘等常规污染不敏感，因此在很多恶劣环境中可以胜任。由于利用磁作为位置的基础，因此必须保证被充磁材料的性能稳定。

此类磁栅的原始充磁栅距较大，限制了控制上的精细程度。原始信号细分后误差相对较大。细分误差导致的电流分量使电机噪声增大和电机发热量增加。

高性能磁栅位置传感器采用特殊的工艺技术提高分辨率和精度，降低误差，避免退磁或读数头被磁化产生换向间隙等缺陷。德国AMO（已经被海德汉收购）的磁栅尺，作为高性能磁栅的代表，AMO磁栅尺由刻蚀栅尺、感应线圈、激励线圈以及控制电路组成。

在测量过程中，线圈与标尺之间的相对位移使感应线圈中的电压因互感系数的变化而产生变化。利用处理电路对输出的感应线圈信号进行处理，即可得出在一个磁栅间距内发生的相对位移，示意图如图所示。

▲图1

整个机构类似于展开的磁节距很小的旋转变压器。AMO读数头信号品质较准确，可抵抗环境不利影响，因此在经过运算电路的信号稳定之后，正弦波偏差很小，实现了高分辨率，克服了普通磁栅尺退磁和换向间隙问题。

2、光栅尺栅距较小，光通过栅格发生的衍射、干涉等物理现象形成含有位置信息的测量信号，通过计算光电信号得到位移信息，常规的反射式光栅尺结构如图2

▲图2

平行光在栅尺反射后经过引导光栅，最终在感光二极管阵列上成像，成像形成的SIN和COS信号质量很高，几乎不含有谐波成分，经过数字细分后可以得到很高的有效分辨率。

由于利用光作为测量介质，栅尺容易被污染，很小的栅距使栅尺的生产成本较高。采用成像原理的光栅尺的代表有RENISHAW公司的RGH、QUANTiC、TONiC系列光栅尺，德国海德汉的LIDA系列光栅尺。

三、可能的理解误区

1、高精度（绝对精度、重复精度）的应用可以用高分辨率读数头来提高精度。

建议：精度最大的影响是机台和栅尺，和读数头分辨率关系不大。

2、栅尺绝对精度最重要。

建议：栅尺的绝对精度通常可以通过后期的补偿完成，栅尺最重要的参数是线性度，在统计上称作标准差，标准差越低，说明栅尺的误差越趋近于Y=kX的直线，补偿起来更容易，电机运行时波动越小，调整时间越短，长时间运行电机动子温度越低，机台精度越容易保持。

3、高细分倍数的可以使直线电机运行更平稳。

建议：对于相同栅距栅尺，高的细分倍数可以提高运行的平稳，如果栅距不同，即使细分后得到相同的分辨率，小栅距的光栅尺对运行平稳更有优势。以海德汉的LIDA200(200微米栅距)光栅尺和LIDA400（20微米栅距）对比，同样条件下LIDA200比LIDA400运行时吵闹很多，工作一段时间后LIDA200电机线圈温度比LIDA400高很多。

4、光栅尺分辨率越高越好

建议：通常使用光栅成像原理的光栅尺读数头原始信号综合失真率在0.5%-2%左右，因此细分倍数在200-400倍之间最合适，例如20微米栅距的光栅尺最高分辨率可以在0.1微米或0.05微米。更高的分辨率需求应当使用更小栅距的光栅尺、把LED光源换成波长更纯净的激光光源、增加光衍射的次数、采用激光干涉方式的读数头（例如海德汉的LIP系列光栅尺或索尼的小栅距光栅尺）。

5、直线电机执行效率低，不能满足要求，换大推力电机，换大电流驱动器。

建议：换大推力电机和驱动器可能解决问题，如果电机和驱动器不换，把磁栅尺换成光栅尺或者换更高分辨率的读数头可能同样解决问题，而且代价更小。

四、实例

1、东莞某生产激光加工设备客户的直线电机平台设备原来整定时间没有问题，换了光栅尺后生产的平台整定时间不稳定，经常超过出厂要求。

过程：经过了解，客户原来使用20微米栅距模拟量输出的光栅尺，配合高创驱动器，后换成数字输出0.5微米读数头。高创驱动器内部4096倍细分，因此用模拟量光栅尺最终机台整定时间是优于0.5微米数字量的光栅尺的，模拟量的光栅尺经过驱动器细分后可以感知的位置更细腻，控制起来更容易。

2、大连某半导体固晶设备生产客户，反应直线电机精度没有问题，运行很吵，带了负载后更吵，很大的嗡嗡声。

过程：经过现场了解，客户使用ELMOG系列驱动器，调整驱动器参数无效，后来发现客户的使用的是200微米栅距的光栅尺，查询光栅尺资料了解，细分周期误差3微米，换用20微米光栅尺后，噪音消除，带负载时噪音也不明显。

3、上海某UV平板打印设备客户，反应打印出的图像有竖线。

过程：客户的设备的喷墨头使用直线电机带动，使用京瓷喷头，位置反馈使用1微米分辨率的磁栅尺，驱动器是台达驱动器。调整驱动器参数无法解决，打印图像明显不均匀；通常磁栅尺的周期误差在几个微米，打印出图像误差是肉眼不可见的，但误差是规律周期存在，打印出色块出现类似周期干涉条纹效果，就可以看到了。换成同样1微米分辨率的光栅尺，问题解决，打印均匀，条纹消失了。

4、苏州某3C设备生产客户，反应机台早晨开机运行一会后偶尔报跟踪超差报警，重新启动设备后不再出现，如果设备不停机，现象就不会出现，怀疑光栅尺丢数。

过程：客户使用直线电机，配合松下驱动器，现场调试一直不出现问题，现象无法复现。早晨用手推动机台，发现似乎没有晚上关机后推动顺滑，阻力略大。仔细观察发现直线电机动子没有霍尔传感器，利用驱动器自寻相完成首次磁场定位。分析早上启动，电机油脂粘度较大，造成磁场寻相不准，电机效率降低。将电机的寻相电流适当增加，问题不再出现。

五、未来

以直线电机和旋转DD马达为代表的直驱系统因为结构相对简单，执行效率高、精度保持好，已经在很多场合取代原有的丝杆和减速机；最早在苹果系的生产线中得到了较大应用。目前已经在国产新能源、国产手机生产线等很多领域得到了越来越多的应用。

如果直线电机和KK丝杆模组一样实现标准化、旋转电机实现普通伺服电机一样标准化，将更加有利于直驱系统的推广应用，随着用于直驱的专用驱动器、光栅尺、圆光栅成本进一步下降，未来2年直驱产品成本将低于传统的非直驱传统产品，届时除了超大推力要求或者垂直轴应用场合，直驱产品将成为设计应用的主流。