伺服技術(shù)的進(jìn)步意味著客戶(hù)期望他們的伺服控制機(jī)器能以越來(lái)越高的性能運(yùn)行。一個(gè)性能指標(biāo)為機(jī)器定位精度。更好的機(jī)器精度可確保制造的零件及產(chǎn)品擁有更高的質(zhì)量。因此，精確定位是選擇或開(kāi)發(fā)伺服系統(tǒng)時(shí)的關(guān)鍵要求。

1.引言

高創(chuàng)（Servotronix）公司開(kāi)發(fā)了許多克服定位誤差以及改善機(jī)器性能的方法，尤其適用于直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的精度可能受到多個(gè)條件或因素的影響，從而導(dǎo)致性能無(wú)法接受。

誤差因素分析

編碼器：此類(lèi)設(shè)備本身的制造過(guò)程中，引入編碼器內(nèi)部的機(jī)械、電子或光學(xué)性能缺陷可能導(dǎo)致定位誤差。環(huán)境條件、電子噪聲也可能影響編碼器信號(hào)的質(zhì)量。

負(fù)載：機(jī)械系統(tǒng)中部件的彎曲可能引起定位誤差。

正交性：適用于通過(guò)XY工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位，X軸與Y軸的行程必須完全互為直角（正交）。如果兩行行程不正交，則Y軸行程在X方向會(huì)產(chǎn)生定位誤差，反之亦然。

齒隙：齒隙是傳動(dòng)裝置中輪齒嚙合齒之間的間隙函數(shù)。正常的齒隙允許齒輪嚙合而不會(huì)卡在一起，以提供潤(rùn)滑空間。例如，當(dāng)絲杠螺母經(jīng)常反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的齒隙，從而導(dǎo)致定位誤差。

滯后：滯后誤差指由于系統(tǒng)對(duì)增加和減少的輸入信號(hào)所產(chǎn)生的不一致響應(yīng)而導(dǎo)致的實(shí)際位置與命令位置之間的差異。

要應(yīng)用最有效的方法校正定位誤差，首先應(yīng)確定錯(cuò)誤是否可重復(fù)。當(dāng)目標(biāo)位置的偏差是可測(cè)量的且可重復(fù)時(shí)，可以在伺服驅(qū)動(dòng)中使用某些函數(shù)或算法，以實(shí)現(xiàn)并保持必要的精度。當(dāng)定位誤差是隨機(jī)的且不規(guī)則時(shí)，通過(guò)外部設(shè)備可實(shí)現(xiàn)最佳校正。

2.誤差重復(fù)性

重復(fù)性是指運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)一次又一次返回到特定位置的能力。精度指當(dāng)系統(tǒng)返回到特定位置時(shí)的測(cè)量范圍值。準(zhǔn)確度指該系統(tǒng)與某一測(cè)量或真實(shí)位置的接近程度。

一般而言，通過(guò)對(duì)定義的位置進(jìn)行移動(dòng)和測(cè)量的過(guò)程可以確定定位誤差的重復(fù)性。該過(guò)程可以使用外部精密反饋裝置，如激光干涉儀。

假設(shè)運(yùn)動(dòng)控制器指示一個(gè)直線(xiàn)階段移動(dòng)到特定位置。一旦運(yùn)動(dòng)完成，設(shè)備便會(huì)測(cè)量該階段的實(shí)際位置。重復(fù)執(zhí)行命令運(yùn)動(dòng)測(cè)量循環(huán)，直到可以確定定位誤差是否發(fā)生，如有，則確定它們是否始終相等。定位誤差可隨行程過(guò)程而變化，因此，有必要針對(duì)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的一系列點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試。

“當(dāng)為可重復(fù)性誤差時(shí)，它們的發(fā)生是可預(yù)測(cè)的，并且伺服驅(qū)動(dòng)器固件可以提供必要的校正，同時(shí)實(shí)現(xiàn)并保持精準(zhǔn)度，而無(wú)需輔助或外部反饋裝置。

圖1直線(xiàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

3.諧波補(bǔ)償

如要考慮是否應(yīng)該對(duì)伺服控制回路進(jìn)行諧波補(bǔ)償，則電機(jī)周期內(nèi)的擾動(dòng)需具備固定的模式。這表明該系統(tǒng)中存在諧波誤差。例如，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩是由電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)引起的。齒槽轉(zhuǎn)矩通常出現(xiàn)于鐵芯直線(xiàn)電機(jī)中，因此，可以通過(guò)諧波補(bǔ)償進(jìn)行校正。

高創(chuàng)的CDHD2伺服驅(qū)動(dòng)器包含一個(gè)對(duì)轉(zhuǎn)矩和反饋擾動(dòng)進(jìn)行校正的諧波補(bǔ)償算法，這個(gè)擾動(dòng)可能由于電機(jī)中的機(jī)械缺陷和/或反饋中的缺陷造成的。諧波校正算法可以處理直線(xiàn)電機(jī)中一個(gè)電機(jī)節(jié)距或旋轉(zhuǎn)電機(jī)中一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)速中具有可重復(fù)模式的擾動(dòng)。

在應(yīng)用算法之前，正確識(shí)別干擾源并使用正確的諧波補(bǔ)償類(lèi)型也很重要。如果一個(gè)系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器反饋，且每個(gè)周期檢測(cè)到兩個(gè)干擾的模式，則很可能需要基于反饋的諧波補(bǔ)償，如圖2所示。

圖2諧波補(bǔ)償控制回路–基于扭矩

4.錯(cuò)誤映射校正

一些可重復(fù)的定位錯(cuò)誤不能通過(guò)分析表達(dá)式校正。該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可能會(huì)失去準(zhǔn)確性，并且只有沿著行程的幾個(gè)點(diǎn)需要補(bǔ)償。對(duì)于諸如此類(lèi)錯(cuò)誤，可使用外部測(cè)量裝置來(lái)生成錯(cuò)誤映射表，然后驅(qū)動(dòng)器可以使用該映射表來(lái)補(bǔ)償具體點(diǎn)的錯(cuò)誤。

例如，線(xiàn)性軸上的負(fù)載位置可通過(guò)激光干涉儀來(lái)測(cè)量。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們假設(shè)該軸的行程距離為一米。驅(qū)動(dòng)軟件發(fā)送一個(gè)指令，以100mm的間隔移動(dòng)電機(jī)，使得電機(jī)在10個(gè)位置范圍內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)電機(jī)移動(dòng)負(fù)載時(shí)，干涉儀會(huì)測(cè)量該負(fù)載行駛的距離，每個(gè)點(diǎn)均將該距離值與電機(jī)編碼器位置進(jìn)行比較。兩個(gè)值的差異即為定位誤差。

一旦生成錯(cuò)誤映射，該映射將會(huì)被存儲(chǔ)于該驅(qū)動(dòng)器的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器中，并且可以在該驅(qū)動(dòng)器中激活誤差補(bǔ)償，如下所示。

在各點(diǎn)之間插入一個(gè)算法。在這個(gè)例子中，為了將該階段移動(dòng)到距離原點(diǎn)275毫米的位置，控制器從查找表（200和300毫米）中取出最近的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并計(jì)算出275毫米處的校正值。

可由CDHD2伺服驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行的定位誤差校正方法的優(yōu)勢(shì)在于該驅(qū)動(dòng)器可以根據(jù)實(shí)際位置實(shí)時(shí)檢索校正值，并實(shí)時(shí)應(yīng)用校正。一旦實(shí)施校正，該誤差就可以忽略不計(jì)，并且不需要額外的位置反饋裝置，如圖3所示。

圖3激光干涉儀測(cè)量行程距離

5.雙回路控制

為了補(bǔ)償隨機(jī)的、不可重復(fù)的誤差，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要一種方法來(lái)檢測(cè)并警告驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)行過(guò)程中有錯(cuò)誤出現(xiàn)。適用于克服非重復(fù)性誤差的有效且相對(duì)便宜的方法即在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的負(fù)載上安裝第二編碼器。這個(gè)第二編碼器可以實(shí)時(shí)提供精確的反饋，從而補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的偏差。

高創(chuàng)（Servotronix）CDHD2伺服驅(qū)動(dòng)器中的固件擁有雙反饋控制回路。在雙回路應(yīng)用中，電機(jī)反饋用于速度控制回路和整流，而二次反饋則用于位置回路。

CDHD2驅(qū)動(dòng)器支持各種二次反饋設(shè)備，如增量編碼器和串行編碼器，以及模擬位置反饋設(shè)備。

雙回路配置需要調(diào)節(jié)二次反饋相對(duì)于電機(jī)反饋的比例，以及特定的整定方法，如圖4所示。

圖4雙反饋控制回路

6.雙反饋控制回路

高創(chuàng)（Servotronix）雙反饋控制回路已經(jīng)在一系列適用于臨床成像的GE醫(yī)療PET/CT掃描儀中實(shí)施，在這種情況中，患者的臺(tái)座托架軸由滾珠絲杠機(jī)械驅(qū)動(dòng)。

為了抵消GE掃描儀系統(tǒng)中齒隙的影響，可在該軸上連接兩個(gè)編碼器。位置反饋編碼器安裝于電機(jī)上，而二次反饋編碼器則監(jiān)測(cè)負(fù)載。雙回路控制解決方案提高了成像系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)度和定位精準(zhǔn)度。它還具備檢測(cè)負(fù)載脫離或碰撞的安全功能。

每個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用程序均有獨(dú)特的挑戰(zhàn)和解決方案。CDHD2驅(qū)動(dòng)器的多功能性允許客戶(hù)實(shí)施某些誤差校正方法——如雙回路控制、諧波補(bǔ)償或錯(cuò)誤映射，來(lái)實(shí)現(xiàn)最高的精準(zhǔn)度和機(jī)器性能。