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直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的定位誤差校正

2025-10-23

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。

精度影響因素

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。實(shí)例：

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。

誤差校正方法

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。下面以CDHD2 伺服驅(qū)動(dòng)器為例進(jìn)行講解。

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。

直線平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

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)于鐵芯直線電機(jī)中，因此，可以通過(guò)諧波補(bǔ)償進(jìn)行校正。

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。

諧波補(bǔ)償控制回路 – 基于扭矩

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。