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直線運動系統中的定位誤差校正

2025-10-23

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品擁有更高的質量。因此，精確定位是選擇或開發伺服系統時的關鍵要求。

精度影響因素

運行時，系統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。實例：

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。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，當絲杠螺母經常反向轉動時，可能會產生過大的齒隙，從而導致定位誤差。

滯后：滯后誤差指由于系統對增加和減少的輸入信號所產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。

誤差校正方法

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或算法，以實現并保持必要的精度。當定位誤差是隨機的且不規則時，通過外部設備可實現最佳校正。下面以CDHD2 伺服驅動器為例進行講解。

誤差重復性

重復性是指運動系統一次又一次返回到特定位置的能力。精度指當系統返回到特定位置時的測量范圍值。準確度指該系統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。重復執行命令運動測量循環，直到可以確定定位誤差是否發生，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，同時實現并保持精準度，而無需輔助或外部反饋裝置。

直線平臺運動系統

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。齒槽轉矩通常出現于鐵芯直線電機中，因此，可以通過諧波補償進行校正。

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。

諧波補償控制回路 – 基于扭矩

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性存儲器中，并且可以在該驅動器中激活誤差補償。