1.简介

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，其反馈亦是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、维护工作量小和生产效率高。

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（引自百度词条）。直驱的核心包括驱动部分和位置反馈（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。本文以着重从驱动的原理出发，分析了不同的应用场合下直驱应用中位置反馈方案的对比和提高。

2.应用背景

一个完整的直驱部件，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），首先需要了解伺服驱动器如何使用位置反馈数据。

在伺服驱动器里（直线电机或普通伺服电机），光栅尺数据分别去往电流环、速度环、位置环3部分，在电流环里编码器数据被用来确认动子和定子的相对位置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截距内有10位分辨率即可，通常的直线电机磁截距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20000/1000=20微米，保守下10微米就够了。在速度环中，编码器数据用来确认当前动定子的相对速度，通常电流环频率是每秒10K次或更低，速度环是电流环的四分之一（2.5K）或一半（5K），在每次速度闭环中必需保证能够有效的得到足够多的数据(至少能够得到1个数据)才能保证速度环的PI输出是稳定的，以2.5K的速度环为例，每次闭环时间是400微秒，在400微秒必须至少得到1个光栅数据才能保证PI输出是稳定的，如果用1微米的分辨率，那么最低速度是2.5mm/s,低于这个速度将导致运行的不平顺（电流环比例积分波动巨大），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.通常需要直线电机最终的定位精度是微米级，因此位置环一般微米极就够了，通常位置环的需要的分辨率是需要的重复定位精度的2-5倍，如果重复是2微米，那么位置环的光栅尺分辨率要1微米或0.5微米。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（机器人抓取、送料等），那么可以选择光栅的分辨率低些，只保证位置环定位就好；对于需要中间状态也很平稳的场合（机床加工、3D打印、线切割），就需要很高的分辨率，保证刀具的寿命，加工的表面效果。

常见的位置传感器包括磁栅尺、光栅尺等，如何选在在直驱部件的应用需要结合其自身的特点。

3.磁栅

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，输出信号既可以作为位置反馈数据，整个原理和原来的收录机是类似的（知名的德国磁栅尺厂家伯根原来就是磁带和磁头生产厂家，很多原来收录机磁头都是由伯根生产），整个磁栅位置传感器结构和原理比较简单，栅距通常在1-5mm之间。磁栅位置传感器有很多优势，

首先由于采用利用矫顽力较强磁作为位置基础，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。由于是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，包括热膨胀系数。

此类磁栅的原始线速低所以分辨率较低，限制了控制上的精细程度。其细分误差大于光栅，如果细分误差增加进给驱动将无法吻合误差曲线。那么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。如果系统设置相同的话，相同编码器的细分误差与调整质量有关，调整质量差误差大，电机电流产生的噪声也大。这也造成电机噪声加大和发热量增加。

直线驱动通常用数字滤波器改善位置信号的平滑性能。但是，速度控制环中的滤波带来的附加相位延迟必须尽可能小，否则动态精度不高。信号质量高的位置编码器可以减少滤波器的使用，也就是说更有利于保证控制环带宽。

高性能磁栅位置传感器采用特殊的工艺和技术提高分辨率和精度，降低新分误差，避免退磁或读数头被磁化产生换向间隙等缺陷。典型有日本索尼和德国AMO（已经被海德汉收购）的磁栅尺。索尼的磁栅尺每米测量精度可达正负5um，所采用的材料与制作工艺可以保证栅尺几十年不退磁，磁带录磁均匀，且采用封闭式结构，抗干扰能力非常强，对使用环境中的油污、粉尘以及电磁干扰有较强的屏蔽；于常规的磁栅读数头相比，索尼的磁栅读数头采用磁平衡方式读取，几乎消除了困扰磁栅的换向间隙，时索尼的磁栅尺精度很高，成本也很高。作为高性能磁栅的代表AMO磁栅产品，钢栅尺、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

如图1，控制电路与线圈绕组相连，其中包含两种类型的绕组，分别是激励线圈和感应

线圈，这些线圈结构均沿着量测方向平伸。在图中，一次绕组为激励线圈，每个绕组都相互连接。而二级绕组则为感应线圈，这些绕组都是成对使用连接的，间距为(m+1/4)λ，其中λ为磁栅尺的栅条的间隔距离，m是正整数。当激励线圈施加正弦激励信号时，在测量方向的相对运动会在读数头和尺身之间改变感应线圈间的周期性交互作用，两组感应线圈之间就会产生相位差为π/2的感应电动势，即sin和cos波形如图2所示。通过后置的处理电路进行数据处理后可以测得位移量的变化；整个机构类似于展开的磁节距很小的旋转变压器。

图2

该磁栅位移传感的读数头信号品质较准确，且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，其正弦波偏差很小。此结果也允许了更高的分割律，使其分辨率得以进一步提高，其避免使用磁材性料本质上克服了退磁和换向间隙问题。

高性能磁栅大幅弥补了分辨率、精度、细分误差、退磁等方面的缺陷，但是分辨率和细分误差和较高端的光栅还有明显差距，高性能磁栅的工艺复杂其成本对光栅没有优势。

4.光栅

光栅以微小精密栅距作为位移测量基准（主要指非莫尔条纹方式读取的高精度光栅），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，通过解算光电信号得到位移信息，其精度和分辨率优于磁栅。

根据光栅的结构，可以把光栅尺分为封闭式光栅尺和开放式光栅尺。封闭式光栅尺降低了安装要求，其封闭式结构能隔离掉部分污染，外壳对玻璃基材栅尺有保护作用，缺点是增大了体积，长度不能灵活定制，测量行程有限，并且由于部分接触测量，速度响应会有一定的限制。封闭式光栅尺多为玻璃光栅（西班牙FAGOR有部分钢带式封闭光栅尺），其栅尺膨胀系数和床体或直线电机不同，检测光栅部分非刚性连接。封闭式光栅尺的代表有德国海德汉公司的LC系列光栅尺和日本三丰公司的AT系列光栅尺。开方式光栅尺更加小型化、轻型化，检测光栅部分刚性连接使控制环可获得极高增益。其中钢栅类尺的长度可以灵活裁剪，测量行程不受限，栅尺的膨胀系数和床体或直线电机相同。缺点是容易被污染，工艺难度高（只能做反射式光栅）。开方式光栅尺的代表有英国雷尼绍公司的RGH、QUANTiC、TONiC等系列光栅尺，德国海德汉的LIDA、LIP系列光栅尺，中国大连榕树光学RU与RX系列直线光栅尺。

开方式光栅尺的读数头和尺身需要独立安装，很难保证相对位置的精准性，因此开放式光栅尺必须拥有比封闭式光栅尺更大的安装容差，封闭式光栅尺所采用的“莫尔条纹”的读取方式对尺身与读取结构的相对位置要求非常苛刻。所以，为保证开放光栅相对宽泛的安装容差，在应用时必须采用衍射式光栅的读数方法，确保信号读取稳定的同时，精度比莫尔条纹高50%以上。开放式光栅尺另外一个核心问题是污染，对采用多场扫描的读数头来说污染是一个致命的问题，它将导致信号的失真乃至完全读取失败。单场扫描的读取方式则在这方面有巨大的优势，几乎不怕污染，因此，采用单场扫描是反射式开放光栅尺抗污的关键。

以榕树光学的RX系列光栅尺为例，由于采用最先进的光学零位检测技术和高速大面积单场扫描技术、自动增益控制技术、自动纠偏技术，可以保证在栅尺和读数头在正负0.2mm安装偏差下零位刻线和位置刻线的有效读取，定位精度高，抗污染能力强，对污染不敏感，安装调节方便，其原理示意如图3。

图3 RX系列光栅尺原理示意图

零点检测的大面积单场扫描技术：

RX系列读数头采用先进的带零点检测大面积单场扫、描技术，光源发出的分散光经过透镜，调整为平行光束，经过光栅上的窗口滤掉多余光束后，照射到栅尺上，经栅尺反射后形成明暗条纹，经过窗口上的光栅衍射自干涉后照射到单场扫描传感器上。零位传感器与单场扫描传感器集成在同一芯片上。当栅尺上有零点时，零位传感会读取到零位处的特殊条纹，形成零位信号。

单场扫描的高抗污染能力：

经过测试，RX系列读数头在经过类似上图的粉尘、油墨、划痕等高污染的情况下，测量精度仅受到几十纳米的影响，且信号的李萨茹图形仅幅值受到一点影响，经过测试，不会出现直流偏差，幅值不均等失真。更不会导致读数头无法工作。RX系列读数头的单场扫描只在一个传感器上输出Sin+，Sin-，Cos+，Cos-信号，不同于四场扫描需要四个传感器输出信号，当栅尺上有污染时，信号的幅值，同时发生变化而造成失真。

自动增益控制技术：

自动增益控制可以有效减少由于污染对开放式光栅尺的影响，目前英国雷尼绍的QUANTIC系列、VONIC系列、德国海德汉LIDA4系列、中国大连榕树光学RU系列、RX系列都应用了自动增益控制技术，以上产品都有抗污染性能。

开方式光栅尺广泛用于测量值精度要求极高的应用中，尽管机械结构是敞开式的，但它抗污染能力强，长期稳定性好、安装速度快、安装方便在直接驱动领域有广泛的应用前景。

5.各自的特点

如表1所示磁栅鲁棒性好抗污染能力强行程大但是精度、分辨率和细分误差要比光栅要差，光栅的抗污弱项。上文介绍的高性能磁栅和开方式光栅尺都一定程度上弥补了各自的短板，但是也提高了工艺的复杂程度增加了成本。磁栅和光栅的选择还是要综合考虑应用的要求和成本。

6.不同应用的要求

对精度要求较高而且控制的中间状态也很平稳的场合，例如：半导体行业的生产和测量设备、PCB电路板组装机、高精度机床、3D打印、线切割以及测量机等应用只有光栅和个别高性能磁栅可以胜任。

对于超精密的应用，如精密半导体加工只有衍射光栅可以胜任。

对抗污染要求高的场合，如喷绘、UV打印等优先考虑磁栅和开方式光栅尺。

只需要最终定位的应用场合，如机器人抓取、送料等可选用磁栅和低成本光栅。

对抗冲击要求高的场合，优先考虑磁栅和钢带栅尺的开方式光栅尺。

对不允许使用铁磁材料的场合，如用于检测微电子电路的电子束显微镜应用上只能选择光栅。

对成本要求高的场合，优先考虑使用磁栅。

7.未来用于直驱的反馈趋势

自动化技术和半导体工业需要更高精度和更高速度的机床和定制化加工设备来满足日趋强烈的小型化、质量和降低成本的要求。直线电机对一个或多个进给轴的高动态应用越来越重要。直接驱动技术的优点是摩擦小、维护工作量小和生产效率高。但这种性能和效率的提高有赖于控制系统、电机和位置编码器间相互协调和最佳配合。直接驱动对测量信号质量提出了更高要求。未来用于直驱的反馈需要提供了精度、速度稳定和温度特性的保证，需要向小型、轻型、高精度、高动态响应的方向发展。