精准运动控制：克服挑战，实现高精度与可靠性

若无精密运动控制，人工智能（AI）与自动驾驶车辆至今仍将是科幻概念。毕竟，当今世界的运转依赖于半导体——尤其是集成电路。现代CPU、微控制器和内存的实现，完全得益于对亚微米甚至纳米级可重复性运动控制能力的不断提升。

 

 

 

 

20世纪60年代首批微处理器中的结构尺寸约为10微米，而最新一代芯片的尺寸已缩小至个位数纳米。人们熟知的摩尔定律所描述的物理尺寸持续缩小，不仅推动了芯片性能和算力的不断提升，也因每片晶圆可产出的芯片数量增加而降低了成本。若没有运动控制、精密机械和光学技术的持续进步，这样的发展将无从实现。

 

高精度使运动控制系统得以实现制造与检测流程的自动化。若无精确的规格要求，工艺质量将无法得到保障。虽然自动化任务均需以精度为前提，但所需精度水平取决于该工艺对位置误差（如准确性与可重复性误差）的敏感程度。

 

举例而言，牛奶灌装工厂可能仅需0.25毫米量级的精度，而半导体掩模检测系统则要求达到个位数纳米量级的精度。在运动控制应用领域，“精密运动”这一术语特指微米及亚微米级别的准确性与可重复性规格。据Aerotech公司控制产品管理组负责人Brett Heintz介绍，此类精密运动系统能够在数米行程范围内实现亚纳米级位移解析。

 

“形象地说，这种超高分辨率就好比观察一张美国大陆的航拍图时，能清晰识别出洛杉矶与纽约之间某处的一支铅笔橡皮头，”Heintz解释道，“对于医疗器械制造商、半导体设备制造商、电子设备制造商及国防承包商而言，此类精度水平至关重要。这些行业都依赖精密运动系统来确保产品符合严苛的质量标准。”

 

精密运动控制在本质上体现为系统最小化指令位置、速度及扭矩偏差的能力，确保机械运动具备极高的准确性与一致性，还包括系统在移动或定位过程中保持指令位置稳定的能力。精密既关乎最终定位的准确度，又涉及多次尝试达成该位置的重复性，其对提升制造公差具有决定性作用，并能显著提高产品性能、可靠性和使用寿命。

 

Copley Controls产品管理与市场总监Ryan LaVoie指出：精密运动控制的终极价值，在于确保零部件严格按规格生产，从而减少误差、提升产品整体质量。精度不足将直接导致自动化产出品质低劣，最终影响终端产品的性能与可靠性。

 

精密运动控制确保稳定性能

在运动控制系统中，精度至关重要——它能保证系统在应用中实现准确、一致且可靠的性能，即使微小偏差也可能导致故障或良率下降。Physik Instrumente公司的Cliff Jolliffe、Scott Jordan和Stefan Vorndran指出：定位精度直接影响工艺波动性，但这并非唯一的影响因素。

 

他们解释道：这是机械结构（包括反馈装置的有无）、电子元件质量，以及生成并修正所需轨迹的运动控制器性能共同作用的结果。最终会影响整体精度进而改变工艺波动的其他因素，还包括传感器数据准确性或系统调用的其他运动生成与调整依据。

 

精密运动控制实现更高速度

 

运动控制中的精度可确保工艺与性能的准确性、一致性和可重复性，即使在运行速度不断提升的情况下。对于运动控制系统而言，精密性至关重要的原因有很多——准确、一致且可重复的工艺能带来性能稳定、质量可靠的预期产出。

 

“精密性还能支持工艺以更高速度运行，”Zero-Max公司销售与市场副总裁Brian Mishuk强调，“在保持高质量和一致性的同时缩短周期时间，从而降低生产成本。”

 

精密运动控制的定义

 

在运动控制领域，精密性通常由运动系统的准确度与重复精度来定义。当向系统发出运动指令时，用户期望系统能精确到达指定位置。然而，系统内部误差和外部干扰都可能导致定位偏差。

 

以飞镖靶心为例说明精度控制的重要性，体现在可重复的准确性

 

准确度指实际位置与指令位置之间的偏差；重复精度则反映系统多次返回同一指令位置时的误差波动。以飞镖靶心为例形象说明：若飞镖散落靶面各处，说明投掷过程既不可重复也不准确；只有当飞镖持续命中靶心，才同时满足高准确度与高重复精度的要求。若飞镖密集落在远离靶心的区域，则投掷过程可重复但欠准确；若飞镖密集命中靶心或其周边区域，则投掷过程兼具可重复性与准确性。

 

Heintz进一步说明：精密性指标还可包含最小增量运动和在位稳定性等参数——前者定义为运动系统可实现的最小分辨步距，后者指位置指令恒定期间系统在特定时段内的位移波动。Jolliffe、Jordan与Vorndran指出，精密作为经典机械工程术语，其正式定义为：通过理想标尺测量的多次定位试验数据相对于平均值的离散程度。

 

他们解释道：虽然这受到硬件传统精度规格的影响，但实际上涉及的因素要多得多。根据系统要求，精度还可能包括速度和多维路径的控制一致性，以及将偏差最小化的能力。

 

除了可重复性（即始终返回同一位置的能力）之外，精度还包括诸如最小增量运动（常与传感器分辨率混淆）和准确度（实际位置与目标位置的匹配程度）等因素。在某些应用中，基于预定义坐标和速度的路径跟踪可能不是最高优先级，而基于某些外部反馈精确跟踪目标可能更为重要。

 

例如，某个应用可能要求以统计有效的方式实现光纤与激光二极管0.02分贝的耦合可重复性。传统的定位重复性虽然重要，但不足以达成这一目标。更为关键的是控制器内置对准算法的性能表现，而算法完成这一工作的速度同样是需要考虑的重要因素。

 

PI团队指出：要讨论所有这些因素，供应商不仅需要精通运动控制，还要了解该应用领域的整体挑战。因此，我们会将运动控制中的精度定义放在具体应用场景及其目标的深入讨论框架下来考量。

 

制造业中的精密运动控制

 

精密运动控制是医疗设备制造、半导体器件生产、电子制造和国防工业自动化的基石。这些领域的从业者依靠精密运动技术规范来确保其产品和工艺的质量。

 

在医疗设备行业，制造商必须满足监管机构制定的严格质量要求。数十年来，生产冠状动脉支架、人工晶体和心脏起搏器的制造商一直依赖精密运动控制技术，以满足这些植入人体的关键医疗设备的质量标准。

 

在国防工业领域，承包商利用精密运动系统来定位自由空间通信系统，通过控制反射镜的旋转精度达到亚角秒级分辨率。在半导体行业，精密运动技术过去50年来一直是推动摩尔定律发展的关键因素。在光刻、晶圆测试和组装工艺中，高精度运动控制至关重要——即使个位数纳米的误差都会影响产品质量。

 

“晶体管特征尺寸的持续微缩要求掩模检测、晶圆定位和后道工艺都必须实现高精度运动控制，”Heintz指出，“当前最先进的半导体工艺需要采用磁悬浮平台的复杂运动控制系统，这些系统能在亚纳米级精度下实现六自由度运动控制，同时具备高动态阶跃与稳定能力。”

 

精密运动控制产生重大影响的其他实际应用还包括：晶圆制造（提升晶体管密度与产能）、

机器人辅助手术（实现更精准的微创操作，缩短恢复周期）、显微计量检测、芯片引线键合、

3D打印、离子注入、医学成像。

 

高精度运动控制在制造业中的应用

 

Jolliffe、Jordan和Vorndran指出，在激光材料加工中，定位器的精度直接影响加工质量。使用精度不足的定位器——即重复精度、路径控制和速度控制较差的设备——将导致零件一致性差、良率低下。激光切割和钻孔中的典型问题包括：孔洞呈椭圆形并带有不规则凸起而非完美的圆形；或因控制器或机械结构无法补偿理想侧壁轮廓而导致的不良锥度侧壁。随着产能提升，这类误差会被进一步放大。

 

在显微镜领域，扫描或切片样本后返回指定位置（如进行进一步分析）的能力取决于定位器的重复定位精度。在光子学领域，光子集成电路（PIC）的需求预计将很快增长三个数量级。精确定位和识别最佳对准位置的能力，取决于定位器扫描光子耦合并可靠返回观测或计算得出的最大光子通量点的性能。要实现性能目标，自动对准、测试和组装设备的精度必须达到数十纳米级别。

 

在航空航天应用中，精度对于卫星间自由空间光通信所用的光束导向系统以及相机和光学元件的对准至关重要。从最新一代手机摄像头到现代光刻系统中使用的高度复杂透镜和反射镜，高精度光学器件的制造通常需要纳米级甚至亚纳米级的精度控制。

 

精密运动控制面临的挑战

 

高精度运动控制系统的成功实施受诸多因素影响，其中尺寸公差、惯性参数、环境条件和机械磨损都是需要重点考量的要素。而最关键的因素在于系统所有组件的选型匹配。

 

Mishuk指出：系统可能配备了极高精度的伺服电机、齿轮箱或执行器，但若未正确选配连接组件，其性能潜力将无法充分发挥。例如，若采用低性能联轴器连接这些精密驱动部件，输出的一致性和速度都会受到影响。组件间的轴连接可靠性同样至关重要，特别是在高循环频率和短周期时间的系统中。

 

ZERO-MAX 运动控制单元

 

实现高精度运动控制的其他关键因素，还包括反馈装置的精度、重复性和分辨率。具体挑战涉及电磁干扰、执行器加工误差、控制系统响应性（伺服环路带宽）、轴承公差、永磁电机齿槽效应。此外，动态负载变化（如机械臂伸展时）、高齿槽效应的低质电机、劣质反馈系统、机械平面度/直线度以及信号噪声等，也会影响运动系统设计的精度。

 

LaVoie解释道：噪声可能通过多种途径传入系统，如劣质线缆、屏蔽不足、接地不良、电缆过长及网络速率限制等。评估运动控制系统精度时，既要独立分析每个组件，又要考量其在整体系统中的协同表现。

 

试想一个采用高性能伺服驱动的系统：驱动具备高带宽和快速电流环更新，电机为零齿槽设计确保运行平稳，控制器通过EtherCAT现场总线实现高速可靠的数据传输。但若选配的编码器分辨率/精度/重复性不足，这些优质组件的优势将难以体现。

 

同理，若运动系统将精密直线执行器（极小背隙）与高分辨率编码器搭配使用时，却采用设计不良的机械联轴装置导致最终装配存在游隙，那么高精度组件的优势也将被抵消。

 

精密运动控制中的空程挑战

 

要实现高精度，必须有效控制空程误差源。无论是旋转系统还是直线系统，采用低背隙或零背隙组件来消除空程源都是关键的设计考量因素。

 

Mishuk指出，扭矩作用下产生的旋转形变是旋转系统中另一个空程来源。因此，提高扭转刚度可显著提升多数设计的精度。同时，同心度精度也至关重要。任何偏心量都会影响安装组件的平衡性，特别是当运动控制系统达到更高转速时，这种不平衡会引发振动和机械噪声，进而影响设备运行的平稳性及加工精度。

 

在批量生产或多工序加工场景中，运动控制系统的精度至关重要——这些环节极易引入延误和误差。典型的应用场景包括装配与包装工艺流程。

 

Mishuk解释道：对于需执行多道工序的机床或加工中心的XYZ轴定位系统而言，精度提升能显著增加产出，同时保障质量并减少废料。无论是长期研发测试还是短期产线质检，高速测试设备都能通过精度提升获得更准确的测试结果。

 

精密运动控制中的振动挑战

 

一般而言，随着精度要求的提升，技术挑战将呈几何级增长。机械层面的问题包括摩擦、背隙、振动以及轴承噪声。最佳解决方案包括采用无摩擦空气轴承、磁轴承或柔性支撑机构，以及线性/力矩电机、压电驱动等无摩擦直驱电机。

 

“当然，最大的挑战在于这些应用的成功不仅取决于精度，”Jolliffe、Jordan和Vorndran解释道，“还需综合考虑环境振动与运动产生振动的控制等诸多因素。理想情况下，运动控制供应商应充当咨询合作伙伴，借鉴同类应用的长期经验。”

 

无论是外部振动源、系统内部振动（来自电机或轴承），还是由快速加速或速度控制不良引发的振动，都会影响系统性能。可通过以下方案应对：刚性结构设计、智能控制算法（如输入整形、伺服增强或NanoPWM驱动）、集成式振动抑制单元。

 

对于地基传导的外部振动，可采用被动气浮隔振系统或主动式（主要基于压电技术）振动消除系统，例如TMC公司的Stacis III系统。

 

许多高性能伺服驱动制造商（如Copley）都提供系统级的机械振动与谐振抑制工具及算法。通过频域分析技术，可在运行正弦扫描时显示系统频率响应，从而对嵌套的电流/速度/位置环进行频域调谐。

 

LaVoie解释道：伯德图能清晰显示谐振峰，通过添加滤波器即可消除机械谐振。此外，频域分析有助于更准确评估系统稳定裕度。工程师可通过分析伯德图确保相位裕度与增益裕度达标，从而有效预防系统失稳和振荡。

 

精密运动控制中的传感器带宽挑战

 

在传感器带宽、分辨率和精度方面，编码器的分辨率与线性度是主要误差源。采用高节距编码器、控制器固件线性化算法及外部干涉仪可显著提升系统精度。而控制系统带宽不足会导致响应迟滞、跟随误差和稳定时间延长等问题。Jolliffe、Jordan和Vorndran指出，选择具有高伺服更新速率和基于EtherCAT架构的系统是成功的关键一步。

 

另一项挑战在于，运动控制供应商提供的规格参数常与实际应用需求脱节。例如，重复精度测试通常采用蜂巢图方式：先进行N次单向运动，再进行N次反向运动。此类测试中，通过正向步进与反向步进的对应关系来“证明”重复精度。
 

PI的这款六自由度闭环样本定位台采用并联运动柔性机构设计，并配备电容式位置反馈系

 

问题在于整个测试仅包含一次反向运动，因此实际上并未产生N个有效数据点。更具统计效力的方法是：从M个随机偏移位置分别出发，每次执行随机位移后返回原点。通过大量（M次）试验记录每个随机偏移位置与返回位置间的测量差值，最终可构建出定位器重复精度的典型高斯分布统计图。

 

“请注意每个数据点都包含反向运动过程，”PI团队解释道，“这更符合实际应用场景。但该测试方法耗时较长，能充分暴露运动装置的缺陷，因此只有最具信誉的供应商才会采用。”

 

由于多数运动控制系统需进行多方向运动，其综合性能不能简单通过单个组件、执行器或平台的规格参数推导得出。多轴误差映射虽复杂，却能显著提升多轴运动应用的精度。另一项挑战在于：数据常以静态形式呈现，而运动本质是动态过程。系统在100 mm/s轮廓速度下的性能表现，可能完全不同于300 mm/s时的运行状态。

 

实现运动控制系统高精度面临的常见挑战包括系统刚度、环境影响、工作点偏移和系统复杂性等。运动控制供应商在设计高精度组件（从安装面、轴承导轨到伺服系统）时都会重点考虑刚度因素。但在安装精密运动设备时，必须全面考量整个运动系统的计量闭环特性。

 

Heinz指出，这包括机床基体材料（如花岗岩、面包板等）、工艺设备和负载的刚度。当精度要求达到微米甚至纳米级时，热膨胀和地面振动等环境因素将持续带来挑战。若不加以控制，这些影响极易导致系统失效。对于实验室系统，可能需要通过隔离空调气流来降低环境影响；而对于生产系统，则需确保控制柜底部有充足的气流通过。

 

精密运动系统依赖位置反馈装置来闭合伺服环以抑制噪声。从工作点（即目标位置）到反馈装置的距离会放大偏轴误差，如滚动、俯仰和偏航误差。Heintz指出，工作点偏移越大，反馈装置未检测到的误差就越大。将工作点尽可能靠近反馈装置，对减小工作点的角度误差影响至关重要。

 

最后，系统复杂性可能导致用户无法充分发挥系统的固有性能。复杂的控制器配置、不友好的调谐工具和繁琐的编程环境，都使得用户难以判断系统是否发挥全部潜能。Heintz总结道，使用诸如Automation1这类直观控制平台，可确保系统始终处于最佳运行状态。

 

精密运动控制中的环境挑战

 

热胀冷缩等环境因素会导致系统组件发生物理变化，从而影响精度。“热效应是造成运动系统表观不可重复性的最主要因素之一，”Heintz指出，“一个在恒温环境下具有100纳米重复精度的大型运动系统，当环境温度变化1℃时，其不可重复性很容易就会超过数微米。铝材、花岗岩等材料的热膨胀，以及测量设备（大型系统通常采用光学编码器或激光干涉仪）与工作点之间的偏移，都会加剧热效应。”

 

为最大限度减少热膨胀对精密运动系统的影响，可采用以下几种方法：环境控制舱能提供最佳性能，可在数小时内将舱内温度、气流和湿度严格控制在极小波动范围内。但由于成本高昂，环境控制舱并非总是最优解。对于实验室和轻量化制造环境，最简单的解决方案是在系统周围加装防护罩，避免空调气流直吹。

 

“对于采用激光干涉仪反馈的高精度系统，由于空气折射率会随温湿度变化，温度控制必不可少，”Heintz强调，“可通过气象站监测环境温湿度，并相应调整运动系统的反馈环参数。”

 

热胀冷缩带来的挑战

 

温度波动会导致组件膨胀或收缩，进而影响公差配合与对中精度——当系统中使用不同材料时（例如铝制平台本体搭配钢制轴承），这一问题尤为突出。由此引发的导轨错位将直接影响定位精度。

 

“低温环境（尤其是太空应用场景）会增大轴承和丝杠驱动的摩擦阻力，而高温则会改变润滑剂粘度，降低其有效性，”Jolliffe、Jordan和Vorndran指出，“真空环境应用需采用特殊材料与润滑剂，并对所有盲孔进行排气处理，以消除虚漏现象。”

 

系统复杂性带来的挑战

 

除环境条件和累积公差外，系统复杂性也会影响运行和机械性能，从而对运动控制系统的整体精度产生负面影响。例如，复杂性可能意味着更多线缆布置，而每根线缆都可能成为振动和干扰力传导至敏感部件的路径。

 

复杂性还体现在更多机械结构的螺栓连接，这会降低结构刚性，引发振动和其他误差。复杂设计往往需要更长构件，从而产生扭矩力矩并降低共振频率。相比之下，注重运动学设计的简洁、紧凑结构在精度和整体性能上更具优势。

 

Nano Plus是Copley公司目前体积最小的伺服驱动器，可直接安装在电机或机器人关节内部。该驱动器满足机器人、AGV、工业机械、医疗/生命科学及航空航天领域的应用要求

 

由于复杂系统中的累积公差会导致误差叠加，进一步影响精度，针对某一工况的欠佳或临界调参可能导致其他工况下的不稳定或精度下降。

 

LaVoie解释道：应对这些挑战的策略包括采用查表偏移校准技术，可修正已知偏差。具备自校准功能的先进反馈装置也能通过持续误差调整来提升精度。例如Copley Plus驱动器等产品，其高分辨率电流环、快速更新速率、先进的32位浮点多级滤波器及FPGA高速定时计数器电路，可显著提高系统精度。

 

组件耐久性挑战

 

零部件的耐久性乃至腐蚀问题都会影响系统性能及最终精度。设计师必须从整体系统角度考量以获得最佳效果，这使得材料与组件的选择尤为关键。所有机器组件都必须针对严苛工况进行专门设计和制造。

 

Mishuk指出，要正确选型，必须选择在严苛环境运动控制系统领域拥有成熟经验的可靠供应商合作。组件必须具备足够可靠性和鲁棒性以应对恶劣条件，同时拥有恰当的额定参数和性能表现，才能充分发挥设备的精度潜力。

 

“在许多情况下，定制化是应对特殊挑战的有效策略，”Mishuk表示，“例如当遇到特别棘手的应用需求时，Zero-Max的应用工程团队会与客户协同开发定制解决方案。”

 

环境振动挑战

 

地面振动与声学振动等环境因素同样是精密运动控制的宿敌。来自其他设备、叉车及人员走动的地面振动会通过地基传导至机器底座，进而影响整个运动系统，此时伺服环会尝试补偿这些干扰。

 

“根据干扰的幅值与频率相对于伺服环带宽的关系——包括零幅值交叉频率（观察系统频率响应的伯德图时）和相位裕度——系统可能部分或完全无法抑制地面振动，”Heintz解释道，“对于采用精密运动系统的检测设备，这会导致检测结果中出现干扰噪声，甚至造成部件漏检。类似地，气流压力变化引发的声学干扰也可能影响系统正常运行。”

 

可采用多种隔振方法来减轻地面振动影响。对于具有大运动质量的大型系统，弹性材料制成的隔振垫能有效衰减地面振动。更高阶的解决方案是在机器底座与框架间采用被动式气垫隔振装置，其低固有频率设计能提供卓越的隔振性能。据Heintz介绍，相比弹性材料方案，这类气垫可将人员走动干扰的幅值降低30倍以上。

 

运动引发的振动问题

 

要实现应用目标，必须将环境振动和运动引发的振动控制在相应水平。Jolliffe、Jordan和Vorndran指出，若应用需扫描识别0.5微米特征（生命科学、光子学和半导体等领域的常见需求），支撑结构及各组件的振动幅度就必须优于该指标。

 

输入整形是另一种可应对机械谐振或振动的滤波技术。“输入整形法通过叠加脉冲阻尼来最小化指令诱发的有害振动（机械频率），”LaVoie解释道，“由此生成的指令能以极低残余振动驱动系统。”

 

同样地，可能导致微米级尺寸变化的热波动也必须加以控制。环境电气噪声则是影响数据完整性进而损害精度的另一因素。多轴运动系统在精度管理上更为复杂，因为各自由度的导向误差会累积并影响所有相关轴的精度。

 

举例来说，即使Y轴精度完美，若X轴产生1微米的非预期径向跳动，最终位置仍会出现1微米偏差。这类问题可通过校准期间采用复杂干涉仪测试装置进行多轴误差映射来修正。

 

突破精密运动控制的局限

 

要克服运动设计中的精度限制，需要采用针对误差根源的先进策略与技术。例如，当需要在宽温域保持精度时，可采用低热膨胀系数材料，如因瓦合金、陶瓷和微晶玻璃等。但材料匹配同样关键——将因瓦合金平台安装在铝制结构上可能产生负面影响，因为铝材膨胀会导致因瓦平台变形。

 

将直接测量编码器和直驱电机尽可能靠近直线平台中心安装，可减少移动平台扭矩引发的测量误差。中心安装的直线电机还能降低移动平台的几何误差。

 

提升XY与XYθ-Z定位精度可采用平面化设计，所有轴系共享同一基板作为基准（并联运动学）。该方案尤其适用于气浮运动系统、磁悬浮平台和压电柔性平台。对于六轴运动系统，并联式六足平台相比传统堆叠式六轴系统具备显著优势：体积更小、刚度更高、可编程支点、无单轴导向误差累积、无拖缆摩擦扭矩干扰。

 

当需要最高精度时，激光干涉仪等外部计量装置可进一步提升精度。具备最小电流纹波的先进控制算法与驱动器能改善系统稳定性和分辨率。通过外部计量误差映射，控制器生成的误差曲线可实时修正理想位置偏差。若控制器具备高带宽和充足算力，甚至能在高速运动过程中（而不仅是在定位终点）实施动态补偿。

 

精密运动控制领域的最新进展包括自校准反馈装置和雷尼绍VIONiC等高分辨率增量式编码器的开发。LaVoie表示，这些设备能自动调整偏差，减少手动校准需求，从而提升精度并改善整体系统性能。光学编码器技术持续革新，最新产品已实现皮米级分辨率。运动系统的定位精度很大程度上取决于位置传感器的性能。

 

在伺服驱动领域，氮化镓场效应晶体管等宽带隙器件的进步，使得电流环更新速率提升的同时仍保持高效率。在安全方面，将更多安全功能集成至驱动的趋势持续加强，以减少系统级安全所需的外部组件和线缆。

 

另一项技术突破是混合驱动系统，将长行程伺服电机驱动执行器与压电执行器结合，共用同一高分辨率编码器，并由混合伺服控制器将高频输出分配给压电驱动，低频分量分配给伺服驱动。

 

“这一理念已应用于全球最大光学望远镜ELT的纳米定位执行器中，”Jolliffe、Jordan和Vorndran说明，“2000多个执行器以个位数纳米路径精度定位镜面分段。”

 

基于人工智能和机器学习的运动控制算法是另一大进展。传统反馈与前馈伺服方案中，可抑制的干扰频率范围受限于所谓的伺服带宽。而最新控制技术能补偿远高于此限的干扰，这意味着稳态抖动得以改善，干扰抑制更为有效，从而提供卓越的整体运动性能。

 

控制算法的进步还带来了更优的阶跃响应与稳定时间、更小的跟随误差，并能通过降低电机温升或从小型电机中榨取更高性能，实现电机力常数的虚拟提升。

 

Jolliffe、Jordan和Vorndran指出，PWM伺服驱动（即NanoPWM驱动）的革新，如今既能提供传统线性驱动的低噪声特性，又可大幅降低成本、尺寸和重量。这种降噪技术使位置分辨率突破1纳米成为可能。

 

多轴误差补偿是精密运动控制的另一项突破。通过在工厂使用复杂计量系统测量运动系统的多自由度误差，将测得的多轴误差上传至控制器的误差补偿表中，系统即可自动修正每个运动指令以抵消各轴误差。整个过程对用户完全透明。

 

运动控制总线技术的改进提升了通信速率，并降低了系统内分布式时钟间的抖动，即使各轴物理间距较远，也能实现更精准的运动同步。

输入整形步骤示意图

 

为追求极致性能，可采用光纤HyperWire网络替代EtherCAT等以太网现场总线，该技术通过100 kHz网络速率和低于1纳秒的时钟抖动，提供确定性的高带宽通信。这使得所有驱动器能在单个伺服环周期内通过光纤网络交换编码器位置、轴信号和传感器数据，从而为磁悬浮多自由度平台等高动态半导体应用中的多输入系统实现解耦控制。

 

“EasyTune自动伺服调谐等优化工具的最新进展，让用户无需成为运动控制专家即可充分释放系统性能，”Heintz表示，“这使用户能专注于工艺流程，并确信运动系统正发挥最大精度。”

 

精密运动控制的未来趋势

 

随着市场对高端产品的需求持续增长，对更高定位精度和更高速系统的需求也日益迫切。为满足这一需求，运动控制系统组件定制化趋势日益明显——每个应用场景都具有独特性，所设计的运动控制系统应当针对特定应用进行优化。

 

无论是对成熟方案进行微调，还是从零开始全新设计，系统设计者都不能在任一环节牺牲精度。具有创新意识的供应商已认识到这一趋势，正致力于提供满足独特需求的定制方案。以Zero-Max为例，其近半数销售额都来自针对客户特定运动控制与精度需求设计的定制解决方案。

 

运动控制系统组件定制化是未来的趋势

 

LaVoie指出，运动控制领域的未来趋势与创新可能包括：更高更新速率、浮点分辨率、动态调谐与补偿对策、能效提升及安全性增强。先进的系统建模与动态校正技术将实现实时精度调整与优化，从而进一步提升运动控制系统的性能与应用范围。

 

人工智能仍是行业热点。虽然AI在运动控制领域的创新应用尚待观察，但极有可能在预测性维护、误差校正和控制算法优化等方面发挥作用。

 

Jolliffe、Jordan和Vorndran预测，高精度传感器的发展趋势将持续，AI将进一步提升运动控制器性能。亚纳米级精度与新一代半导体测试生产技术（如压电驱动和长行程气浮运动）的结合，将持续突破技术极限。磁悬浮技术将实现完全无轴承的六自由度运动。

 

Heintz认为，随着精度要求的提升和精密运动控制应用场景的扩展，易用性、互联性、分布式系统和多输入控制方案将成为主流。精密运动系统用户将期待系统能自主学习用户输入，自动优化运动轨迹和伺服增益以实现最佳性能。

 

运动控制器将日益广泛地连接第三方传感器、系统及机器人，实现与工厂自动化设备的无缝对接。运动控制器和驱动器将从控制柜迁移至电机硬件内部，通过工业运动总线技术实现互联，从而减少布线需求并构建分布式系统。

 

最终，运动控制器将支持在整个分布式网络中接入海量传感器。借助现代空间控制技术，这些传感器数据需通过运动总线高速共享，以闭环多输入多输出控制系统。

 

作者：John Lewis（Tech B2B Marketing）

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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