直驅系統中檢測元件對驅動性能影響的實驗分析*

陳東生 岳曉斌② 陳 華 戴曉靜

(①中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽621900;②復旦大學信息科學與工程學院光科學與工程系，上海200433)

對于高性能直驅系統，需要其穩態和動態位置跟隨誤差小，具有高精度的定位和跟蹤控制性能，另外一些地方還需要系統具有穩定平滑的瞬態響應，尤其是低速平滑性。如何提高直驅系統的驅動性能，國內外文獻在優化閉環控制算法、減小外界干擾、提高電動機的性能等方面論述較多，而對反饋的影響往往只是提及而無系統綜合的論述。在直驅系統中，反饋是非常重要的一環，無論是旋轉運動還是直線運動，電動機動子的位置狀態是必須檢測的，位置信號作為控制的反饋輸入，位置信號的優劣直接影響到驅動的性能。影響反饋信號因素很多，包括信號類型、分辨率、刻線精度、信號的檢測及檢測元件的安裝等等。本文通過大量的實驗來系統的分析檢測元件對直接驅動系統的性能影響，并得出一些結論。

1 直接驅動系統結構

首先分析直驅系統的組成，如圖1 為典型的直接驅動系統構架圖，高精度直接驅動系統具有位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環結構形式，直線光柵尺或圓光柵負責系統的速度與位置反饋，在電流、速度、位置控制器中采用一定的控制算法，通過PWM 驅動與放大單元實時輸出驅動電壓產生電動機推力，從而實現系統的運動控制。

對電動機的驅動力能夠準確穩定的控制是改善直驅性能的關鍵，從驅動系統結構圖可以看出，驅動力的控制取決于驅動電壓的準確性能、檢測元件的反饋精度以及優良的控制算法。由于檢測元件是所有調節的基準，因此，反饋信號應該在這3 個要素中據最為重要的地位。

2 檢測元件信號類型對驅動性能的影響

由于直線電動機自身的電磁場會對位置傳感器產生一定的干擾，直接電動機驅動的精密位移機構一般不選用感應同步尺、磁柵等利用電磁感應原理工作的元器件，在直線進給中選擇利用光電轉換原理工作的高精度光柵尺，圓周運動中采用高精度圓光柵。在直接驅動閉環控制中，光柵的信號作為控制的唯一反饋輸入，其優劣直接影響到最終的控制性能。光柵的輸出信號類型，常用的有兩種:一種是經過信號細分處理的TTL數字信號，另一種是沒經過細分處理的1Vpp 模擬信號。

我們在相同的直線電動機、相同的機械平臺下采用了兩種不同反饋信號的光柵尺進行測試，如圖2，發現采用TTL 信號反饋時速度與電流波動明顯具有一個與光柵尺的20 μm 柵距相關的周期在里面，而采用1 Vpp 模擬信號反饋通過FFT 變化分析沒有與光柵柵距相關的周期。通過大量的實驗與分析，導致該現象的原因可能與外部細分器的信號處理能力以及驅動器對TTL 信號的檢測頻率和信號處理有關。由于受制于外部細分器的信號處理能力，它往往不能根據安裝的實際位置進行補償優化，所以出來的信號相對來說質量要差一些，對于高精度的直線電機控制最好采用1 Vpp 模擬信號輸出的光柵尺。

3 檢測元件信號分辨率對驅動性能的影響

從理論上來講，檢測元件的信號分辨率越高，控制的精度越高，通過在氣浮支承直線電動機驅動的實驗平臺中進行光柵分辨率對性能影響的測試，得到如表1 的結果:

分辨率為5 nm 的情況下，可運行的最小速度、低速下的速度波動、零速下的穩態特性均要優于50 nm分辨率下的對應指標，但可運行的最大速度要小，僅有200 mm/min，超過該速度系統會震蕩。另外，對相同的機電系統，分辨率越高，伺服剛度要減小。

由此可見，分辨率越高，控制精度會更高，但也受限于機構的特性，到一定的程度，分辨率過高反會減小系統的剛度，采用控制參數提高剛度又會減小系統的帶寬，影響到系統的抗干擾能力，降低系統的魯棒性，這需要綜合平衡考慮。

4 檢測元件信號處理對驅動性能的影響

對檢測元件的信號處理主要有兩部分，一是對信號的偏差與增益的補償，它是由光柵尺本身的刻線精度以及受安裝位置的影響導致的;另一部分是對讀取的信號的噪聲濾波處理。

表1 信號分辨率對驅動性能的影響

圖3 是信號在處理前后的一個sin/cos 信號圖。對于sin/cos 信號，在沒有進行增益與相位補償前sin與cos 信號的幅值是不一樣的，并且信號之間存在一定的相位差，這就需要進行幅值與相位的補償。沒有補償前信號是一個有相位滯后并幅值沒有到達最好的橢圓，補償后為一個圓。

圖4 是對采用1 Vpp 信號的處理前后的驅動速度特性進行比較。圖4a 中驅動器沒有進行補償調整前依對速度的波動影響很大，速度波動值達到0.3 mm/min。圖4b 中驅動器對信號進行了補償后，速度波動精度大大提高，速度波動值為0.06 mm/min。

5 檢測元件的安裝要素對驅動性能的影響

檢測元件的安裝要素包括安裝位置、安裝精度以及檢測元件與實際位置量之間的動態響應特性等。

5.1 安裝位置、安裝精度對驅動性能的影響

我們以一個靜壓支承下直線電動機驅動平臺來分析。對于直接驅動平臺，最終是要實現加工平臺上工件或刀具位置處的精密驅動性能，從原理上來講，作為控制的反饋位置，最準確的位置最好是加工處的實際位置。如圖5 所示，加工件上表面是我們需要的實際控制位置，稱為標準量，但實際上由于安裝空間及加工位置的限制，不可能將光柵尺或者圓光柵安裝在加工位置處。圖5 中的被測量是光柵尺實際的測量值，另外導軌移動一定有一個導向面，導向面在靜壓支承導軌中如圖5 中位置所示。首先，圖中直線電動機由于實際安裝空間的限制不可能驅動移動部件的質心。偏心驅動將會在導軌移動部件上產生一個附加力矩。附加力矩必然會造成導軌移動部件的標準量與被測量之間有一個導軌的轉角φ1;另外，在安裝中無法保證被測量與標準量和導向面之間的平行度，它們之間會有一個固定的角度φ2，當被測量與標準量之間距離為R1，它們會產生阿貝誤差R1tan(φ1+φ2)。

另外在靜壓支承導軌系統中，壓力的波動以及負載的變化都會引起導向面的變化，首先會導致被測量與標準量之間的角度是一個實時變化的值;另外它還會導致測量點與被測量不在一條直線上，這些都會附加產生一個阿貝誤差。

由此，在檢測元件的安裝時最好能保證靜態的標準量、被測量、導向面、測量點在一條直線上，這樣即使動態時有一定的偏轉角度，也會減小測量誤差。

5.2 檢測元件的動態響應對驅動性能的影響

對于直驅系統，檢測信號反饋的是實時位置信號，要求檢測元件的安裝要滿足檢測位置的實時性要求。對于光柵尺或圓光柵的位置測量，一般是固定光柵，將讀數頭連接到移動工作臺，這就要求讀數頭的移動要與移動工作臺保持一致，及讀數頭的安裝工裝要具有非常好的剛性。在實際安裝過程中往往會忽略這一點。

為此我們通過圖6 的兩個實驗來分析讀數頭動態響應對驅動性能的影響。圖6a 中的讀數頭遠離運動滑臺，它需要通過一個較長的過渡轉接板來進行安裝。圖6b 中的讀數頭靠近運動滑臺，它只需要通過一個很小的過渡轉接板來進行安裝。在圖6a 的安裝方式下，驅動器無法使能，閉環使能后出現不穩定狀態，在幾秒鐘后出現飛車。而相同的配置，在圖6a 的安裝方式下，閉環使能后性能穩定。對比實驗可以得到出現飛車的原因是讀數頭安裝工裝導致的，兩個工裝唯一不同的就是剛性有差別，過渡工裝的剛性反映的是一個動態響應能力，閉環使能本身就是一個不斷調整的過程，具有納米級分辨率的光柵反饋如果沒有及時響應實際位置、或更有甚者反饋為調節的反方向，就會導致系統失穩。

6 結語

(1)對于高精度的直接驅動控制最好采用1 Vpp模擬信號輸出的光柵尺。

(2)分辨率越高，控制精度會更高，但也受限于機構的特性，到一定的程度，分辨率過高反會降低系統的剛度，需綜合設計光柵尺的分辨率。

(3)驅動器對光柵尺輸出信號進行信號強度及相位補償有利于驅動性能的提高。

(4)檢測元件的安裝最好能盡量滿足靜態的標準量、被測量、導向面、測量點在一條直線上，會減小測量阿貝誤差。同時檢測元件的安裝要滿足檢測位置的實時性要求。

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