直驅是指直接驅動，是新型的電機直接和運動執行部分結合，即電機直接驅動機器運轉，沒有中間的機械傳動環節，相對常規驅動技術它使控制環可獲得極高增益，反饋同時也檢測最終的位置，避免了傳動環節的耦合誤差和擾動，具有靜態精度高動態性能好的優勢。直接驅動技術的優點是摩擦小、維護工作量小、生產效率高。

典型的直接驅動技術的應用包括，以直線電機為核心驅動元件的直線運動部件和以力矩電機為核心驅動元件的回轉運動元件。直驅的核心包括執行部分、位置反饋（感知）部分、驅動部分。執行部分包括動子、定子、線圈等，感知部分包括磁柵、光柵、容柵等，結構可以是線性測量的，也可以是角度測量的。本文著重從位置反饋部分出發，分析了不同的應用場合下直驅應用中反饋方案對比和提高應用效果的分析。

一、技術背景

一個完整的直驅系統，包括執行部分（線圈、磁鋼、壓電瓷片等）、位置反饋部分和驅動部分（驅動器），要提高直驅系統的整體效果，首先需要了解伺服驅動器如何使用位置反饋數據。

在直驅伺服驅動器內部，光柵尺數據分別去往電流環（也稱力矩環）、速度環、位置環3部分，在電流環里光柵尺數據被用確認磁場施加的正確位置，通常電流環的PWM發生器是10位的，因此只要保證在一個磁周期內有10位分辨率即可，通常的直線電機磁周期20毫米以上，因此電流環只要滿足在20毫米的范圍內能夠有10位的有效分辨率就好，折合電流環需要的分辨率約20000/1024=20微米，2倍冗余情況下10微米就夠了。

結論：在直驅系統中電流環需要的有效分辨率是10微米。

在速度環中，編碼器數據用來確認當前動子和定子的相對速度，通常電流環運行頻率是每秒10K，速度環運行頻率是電流環的四分之一（2.5K，400us）或一半（5K，200us），在每次速度環運行時必須保證能夠得到足夠多的數據才能保證速度環給電流環的指令是穩定的，以2.5K的速度環為例，每次閉環時間是400us，在400us需要得到1個光柵脈沖才能保證輸出的電流指令穩定，如果用1微米的分辨率的光柵尺，最低速度是2.5mm/s,低于這個速度將導致運行的不平順（電流環指令波動明顯），這是極限情況，通常速度環周期需要更多的脈沖來滿足速度的平順度。

結論：在直驅系統中高分辨率光柵尺是速度穩定平順的關鍵。

通常直線電機需求的位置精度是微米級，因此位置環微米級就夠了，通常位置環的選擇的分辨率是重復精度需求的2-3倍，如果重復精度要求是2微米，那么位置環的光柵尺分辨率要1微米或0.5微米。

結論：在直驅系統中位置環需要的分辨率是重復定位精度需求的2-3倍。

根據以上的分析，可以得到下面結論：

1、對于只需要最終定位的應用場合，不考慮中間的運行平穩情況（例如抓取、運輸送料等），那么可以選擇光柵的分辨率低些，保證選擇的柵尺有效分辨率是最終定位精度的2-3倍就可以滿足要求。

2、對于需要最終的定位精準度，還需要平穩運行軌跡的場合（機床加工、激光直寫、ITO刻蝕），需要柵尺較高的分辨率，保證機床刀具使用壽命，加工的過程效果。

3、對于要求直線電機工作效率的場合，例如LED固晶機、焊線機等，高分辨率柵尺有利于提高直線電機的響應速度；伺服驅動器輸出波動小，縮短了系統整定時間（穩定時間），進而提高了電機的執行效率。

4、直線電機應用高分辨率的柵尺，可以顯著降低伺服驅動器的輸出的電流波動，降低長時間工作時電機線圈的溫度，降低振動，延長設備的使用壽命，熱量的減少也有利于提高設備的重復精度，保持精度的持久性。

以上結論同樣適用于旋轉DD馬達。

二、常用的直驅位置反饋方案

1、磁柵位置傳感器是利用矯頑力比較強的材料擠壓成長線型或圓環后，對其按照一定均勻周期充磁，然后利用磁頭讀取，輸出信號作為位置反饋數據，原理磁帶收錄機是類似的（知名的德國磁柵尺廠家伯根原來是磁帶和磁頭生產廠家，原來收錄機磁頭很多由伯根生產），整個磁柵位置傳感器原理比較簡單，柵距通常在1-5mm之間。磁柵位置傳感器有很多優勢。

首先由于采用磁性材料作為位置基礎，生產成本較低，對油、水、灰塵等常規污染不敏感，因此在很多惡劣環境中可以勝任。由于利用磁作為位置的基礎，因此必須保證被充磁材料的性能穩定。

此類磁柵的原始充磁柵距較大，限制了控制上的精細程度。原始信號細分后誤差相對較大。細分誤差導致的電流分量使電機噪聲增大和電機發熱量增加。

高性能磁柵位置傳感器采用特殊的工藝技術提高分辨率和精度，降低誤差，避免退磁或讀數頭被磁化產生換向間隙等缺陷。德國AMO（已經被海德漢收購）的磁柵尺，作為高性能磁柵的代表，AMO磁柵尺由刻蝕柵尺、感應線圈、激勵線圈以及控制電路組成。

在測量過程中，線圈與標尺之間的相對位移使感應線圈中的電壓因互感系數的變化而產生變化。利用處理電路對輸出的感應線圈信號進行處理，即可得出在一個磁柵間距內發生的相對位移，示意圖如圖所示。

▲圖1

整個機構類似于展開的磁節距很小的旋轉變壓器。AMO讀數頭信號品質較準確，可抵抗環境不利影響，因此在經過運算電路的信號穩定之后，正弦波偏差很小，實現了高分辨率，克服了普通磁柵尺退磁和換向間隙問題。

2、光柵尺柵距較小，光通過柵格發生的衍射、干涉等物理現象形成含有位置信息的測量信號，通過計算光電信號得到位移信息，常規的反射式光柵尺結構如圖2

▲圖2

平行光在柵尺反射后經過引導光柵，最終在感光二極管陣列上成像，成像形成的SIN和COS信號質量很高，幾乎不含有諧波成分，經過數字細分后可以得到很高的有效分辨率。

由于利用光作為測量介質，柵尺容易被污染，很小的柵距使柵尺的生產成本較高。采用成像原理的光柵尺的代表有RENISHAW公司的RGH、QUANTiC、TONiC系列光柵尺，德國海德漢的LIDA系列光柵尺。

三、可能的理解誤區

1、高精度（絕對精度、重復精度）的應用可以用高分辨率讀數頭來提高精度。

建議：精度最大的影響是機臺和柵尺，和讀數頭分辨率關系不大。

2、柵尺絕對精度最重要。

建議：柵尺的絕對精度通常可以通過后期的補償完成，柵尺最重要的參數是線性度，在統計上稱作標準差，標準差越低，說明柵尺的誤差越趨近于Y=kX的直線，補償起來更容易，電機運行時波動越小，調整時間越短，長時間運行電機動子溫度越低，機臺精度越容易保持。

3、高細分倍數的可以使直線電機運行更平穩。

建議：對于相同柵距柵尺，高的細分倍數可以提高運行的平穩，如果柵距不同，即使細分后得到相同的分辨率，小柵距的光柵尺對運行平穩更有優勢。以海德漢的LIDA200(200微米柵距)光柵尺和LIDA400（20微米柵距）對比，同樣條件下LIDA200比LIDA400運行時吵鬧很多，工作一段時間后LIDA200電機線圈溫度比LIDA400高很多。

4、光柵尺分辨率越高越好

建議：通常使用光柵成像原理的光柵尺讀數頭原始信號綜合失真率在0.5%-2%左右，因此細分倍數在200-400倍之間最合適，例如20微米柵距的光柵尺最高分辨率可以在0.1微米或0.05微米。更高的分辨率需求應當使用更小柵距的光柵尺、把LED光源換成波長更純凈的激光光源、增加光衍射的次數、采用激光干涉方式的讀數頭（例如海德漢的LIP系列光柵尺或索尼的小柵距光柵尺）。

5、直線電機執行效率低，不能滿足要求，換大推力電機，換大電流驅動器。

建議：換大推力電機和驅動器可能解決問題，如果電機和驅動器不換，把磁柵尺換成光柵尺或者換更高分辨率的讀數頭可能同樣解決問題，而且代價更小。

四、實例

1、東莞某生產激光加工設備客戶的直線電機平臺設備原來整定時間沒有問題，換了光柵尺后生產的平臺整定時間不穩定，經常超過出廠要求。

過程：經過了解，客戶原來使用20微米柵距模擬量輸出的光柵尺，配合高創驅動器，后換成數字輸出0.5微米讀數頭。高創驅動器內部4096倍細分，因此用模擬量光柵尺最終機臺整定時間是優于0.5微米數字量的光柵尺的，模擬量的光柵尺經過驅動器細分后可以感知的位置更細膩，控制起來更容易。

2、大連某半導體固晶設備生產客戶，反應直線電機精度沒有問題，運行很吵，帶了負載后更吵，很大的嗡嗡聲。

過程：經過現場了解，客戶使用ELMOG系列驅動器，調整驅動器參數無效，后來發現客戶的使用的是200微米柵距的光柵尺，查詢光柵尺資料了解，細分周期誤差3微米，換用20微米光柵尺后，噪音消除，帶負載時噪音也不明顯。

3、上海某UV平板打印設備客戶，反應打印出的圖像有豎線。

過程：客戶的設備的噴墨頭使用直線電機帶動，使用京瓷噴頭，位置反饋使用1微米分辨率的磁柵尺，驅動器是臺達驅動器。調整驅動器參數無法解決，打印圖像明顯不均勻；通常磁柵尺的周期誤差在幾個微米，打印出圖像誤差是肉眼不可見的，但誤差是規律周期存在，打印出色塊出現類似周期干涉條紋效果，就可以看到了。換成同樣1微米分辨率的光柵尺，問題解決，打印均勻，條紋消失了。

4、蘇州某3C設備生產客戶，反應機臺早晨開機運行一會后偶爾報跟蹤超差報警，重新啟動設備后不再出現，如果設備不停機，現象就不會出現，懷疑光柵尺丟數。

過程：客戶使用直線電機，配合松下驅動器，現場調試一直不出現問題，現象無法復現。早晨用手推動機臺，發現似乎沒有晚上關機后推動順滑，阻力略大。仔細觀察發現直線電機動子沒有霍爾傳感器，利用驅動器自尋相完成首次磁場定位。分析早上啟動，電機油脂粘度較大，造成磁場尋相不準，電機效率降低。將電機的尋相電流適當增加，問題不再出現。

五、未來

以直線電機和旋轉DD馬達為代表的直驅系統因為結構相對簡單，執行效率高、精度保持好，已經在很多場合取代原有的絲桿和減速機；最早在蘋果系的生產線中得到了較大應用。目前已經在國產新能源、國產手機生產線等很多領域得到了越來越多的應用。

如果直線電機和KK絲桿模組一樣實現標準化、旋轉電機實現普通伺服電機一樣標準化，將更加有利于直驅系統的推廣應用，隨著用于直驅的專用驅動器、光柵尺、圓光柵成本進一步下降，未來2年直驅產品成本將低于傳統的非直驅傳統產品，屆時除了超大推力要求或者垂直軸應用場合，直驅產品將成為設計應用的主流。