伺服技術的進步意味著客戶期望他們的伺服控制機器能以越來越高的性能運行。一個性能指標為機器定位精度。更好的機器精度可確保制造的零件及產(chǎn)品擁有更高的質量。因此，精確定位是選擇或開發(fā)伺服系統(tǒng)時的關鍵要求。

1.引言

高創(chuàng)（Servotronix）公司開發(fā)了許多克服定位誤差以及改善機器性能的方法，尤其適用于直線運動系統(tǒng)。

運行時，系統(tǒng)的精度可能受到多個條件或因素的影響，從而導致性能無法接受。

誤差因素分析

編碼器：此類設備本身的制造過程中，引入編碼器內部的機械、電子或光學性能缺陷可能導致定位誤差。環(huán)境條件、電子噪聲也可能影響編碼器信號的質量。

負載：機械系統(tǒng)中部件的彎曲可能引起定位誤差。

正交性：適用于通過XY工作臺來實現(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方向會產(chǎn)生定位誤差，反之亦然。

齒隙：齒隙是傳動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卡在一起，以提供潤滑空間。例如，當絲杠螺母經(jīng)常反向轉動時，可能會產(chǎn)生過大的齒隙，從而導致定位誤差。

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

要應用最有效的方法校正定位誤差，首先應確定錯誤是否可重復。當目標位置的偏差是可測量的且可重復時，可以在伺服驅動中使用某些函數(shù)或算法，以實現(xiàn)并保持必要的精度。當定位誤差是隨機的且不規(guī)則時，通過外部設備可實現(xiàn)最佳校正。

2.誤差重復性

重復性是指運動系統(tǒng)一次又一次返回到特定位置的能力。精度指當系統(tǒng)返回到特定位置時的測量范圍值。準確度指該系統(tǒng)與某一測量或真實位置的接近程度。

一般而言，通過對定義的位置進行移動和測量的過程可以確定定位誤差的重復性。該過程可以使用外部精密反饋裝置，如激光干涉儀。

假設運動控制器指示一個直線階段移動到特定位置。一旦運動完成，設備便會測量該階段的實際位置。重復執(zhí)行命令運動測量循環(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程而變化，因此，有必要針對直線運動系統(tǒng)中的一系列點進行重復性測試。

“當為可重復性誤差時，它們的發(fā)生是可預測的，并且伺服驅動器固件可以提供必要的校正，同時實現(xiàn)并保持精準度，而無需輔助或外部反饋裝置。

圖1直線平臺運動系統(tǒng)

3.諧波補償

如要考慮是否應該對伺服控制回路進行諧波補償，則電機周期內的擾動需具備固定的模式。這表明該系統(tǒng)中存在諧波誤差。例如，電機齒槽轉矩是由電機的機械結構引起的。齒槽轉矩通常出現(xiàn)于鐵芯直線電機中，因此，可以通過諧波補償進行校正。

高創(chuàng)的CDHD2伺服驅動器包含一個對轉矩和反饋擾動進行校正的諧波補償算法，這個擾動可能由于電機中的機械缺陷和/或反饋中的缺陷造成的。諧波校正算法可以處理直線電機中一個電機節(jié)距或旋轉電機中一個機械轉速中具有可重復模式的擾動。

在應用算法之前，正確識別干擾源并使用正確的諧波補償類型也很重要。如果一個系統(tǒng)采用旋轉變壓器反饋，且每個周期檢測到兩個干擾的模式，則很可能需要基于反饋的諧波補償，如圖2所示。

圖2諧波補償控制回路–基于扭矩

4.錯誤映射校正

一些可重復的定位錯誤不能通過分析表達式校正。該運動系統(tǒng)可能會失去準確性，并且只有沿著行程的幾個點需要補償。對于諸如此類錯誤，可使用外部測量裝置來生成錯誤映射表，然后驅動器可以使用該映射表來補償具體點的錯誤。

例如，線性軸上的負載位置可通過激光干涉儀來測量。為了簡單起見，我們假設該軸的行程距離為一米。驅動軟件發(fā)送一個指令，以100mm的間隔移動電機，使得電機在10個位置范圍內移動。當電機移動負載時，干涉儀會測量該負載行駛的距離，每個點均將該距離值與電機編碼器位置進行比較。兩個值的差異即為定位誤差。

一旦生成錯誤映射，該映射將會被存儲于該驅動器的非揮發(fā)性存儲器中，并且可以在該驅動器中激活誤差補償，如下所示。

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

可由CDHD2伺服驅動器執(zhí)行的定位誤差校正方法的優(yōu)勢在于該驅動器可以根據(jù)實際位置實時檢索校正值，并實時應用校正。一旦實施校正，該誤差就可以忽略不計，并且不需要額外的位置反饋裝置，如圖3所示。

圖3激光干涉儀測量行程距離

5.雙回路控制

為了補償隨機的、不可重復的誤差，直線運動系統(tǒng)需要一種方法來檢測并警告驅動器在運行過程中有錯誤出現(xiàn)。適用于克服非重復性誤差的有效且相對便宜的方法即在運動系統(tǒng)中的負載上安裝第二編碼器。這個第二編碼器可以實時提供精確的反饋，從而補償運動系統(tǒng)的偏差。

高創(chuàng)（Servotronix）CDHD2伺服驅動器中的固件擁有雙反饋控制回路。在雙回路應用中，電機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驅動器支持各種二次反饋設備，如增量編碼器和串行編碼器，以及模擬位置反饋設備。

雙回路配置需要調節(jié)二次反饋相對于電機反饋的比例，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掃描儀中實施，在這種情況中，患者的臺座托架軸由滾珠絲杠機械驅動。

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編碼器。位置反饋編碼器安裝于電機上，而二次反饋編碼器則監(jiān)測負載。雙回路控制解決方案提高了成像系統(tǒng)的運行平穩(wěn)度和定位精準度。它還具備檢測負載脫離或碰撞的安全功能。

每個直線運動設備的應用程序均有獨特的挑戰(zhàn)和解決方案。CDHD2驅動器的多功能性允許客戶實施某些誤差校正方法——如雙回路控制、諧波補償或錯誤映射，來實現(xiàn)最高的精準度和機器性能。