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伺服驱动控制环中的编码器

伺服驱动控制环中的编码器 2011年12月04日 来源： 伺服驱动常常配备有用作位置和速度控制的编码器或旋转变压器。对低成本、多转，而且和旋转变压器一样皮实的绝对式编码器的需求在不断增加。除此之外，如何简单快捷地通过串行接口将编码器和控制器相联接也是重要议题。采用感应式扫描原理，拥有多转分辨率和双向 EnDat 通讯协议的编码器填补了旋转变压器和光学编码器之间的空隙。除了编码器的各项技术参数外，编码器的信号质量对驱动的性能有着决定性的影响。有限的分辨率和周期性测量误差会对伺服驱动的精度和运转平顺度有直接的影响。下面对不同编码器技术对伺服驱动控制环的影响做进一步的分析。

伺服驱动用测量系统 采用光学扫描原理的编码器的核心是细微的光栅栅线，它使得通过电子处理达到极高的分辨率成为可能。光学编码器通常每转产生512或2048个信号周期，每个信号周期再电子细分12或14Bit。这已成为高精度应用的一个标准。多转式光学编码器可以在4096转之内唯一确定圈数。旋转变压器通过识别两个线圈间的感应效应来识别位置，通常电机旋转一圈，旋转变压器输出一个信号周期。这样获得的位置值在一圈之内是绝对式的，但是通过电子细分所能达到的分辨率就十分有限了。感应式旋转编码器也是通过测量线圈间的感应现象来识别位置变化。角度值的获取是绝对式的。通过采用每圈13或32个信号周期的码盘，可以获得比旋转变压器高得多的位置分辨率。和光学式旋转编码器相似，感应式旋转编码器也可以在4096转之内唯一确定转动圈数。感应式编码器线圈之间的距离对精度有很大的影响。伺服电机内部的热变形是造成编码器线圈间距变化的一个原因。为此海德汉的感应式旋转编码器配备了高度集成化的专用芯片。这些芯片通过计算线圈间距对感应现象强弱的影响来对测量结果做实时的补偿。位置测量的限制因素旋转变压器和旋转编码器在进行位置测量时，可能受到有规律因素和无规律因素的干扰。有规律因素的代表为：·因编码器安装刚性不足造成的振动、·编码器模拟信号的偏置、相位和幅值误差、·因反馈元件和控制器间传输带宽限制造成的位置信号的相位误差、·依据测量系统模拟信号进行位置值计算时产生的细分误差。无规律因素的代表是：·测量系统模拟信号自有噪声·在采用有限分辨率对模拟信号进行量化处理时产生的额外噪声。位置信号分辨率对控制环的影响编码器信号分辨率的影响可以用图2中简化的控制环图来说明。对旋转变压器输出信号进行 14Bit 细分后，其位置信号最小可分辨步距（LSB: least significant Bit）为 : SLSB = 384×10-6 弧度。采用常用的差分运算来计算转速时，由此产生的速度误差为：

在考虑分辨率对电机电流的影响时，可以忽略位置控制环和速度控制环的积分项I 。采用表1中所列的参数计算时，编码器反馈信号的不连续变化在图2所示的控制环中造成了跳跃式的，约3.4安培的理论电流变化。这大概相当于该电机50%的峰值电流。

为了解决这个问题，使用旋转变压器时，常需要配合使用平滑过滤电路对旋转变压器的速度信号进行处理。但是，这种方法会造成控制环的相位损失，进而限制了控制环所能达到的最大增益。降低电机转速和控制环增益可以减少这种现象的负面影响，但是众所周知，高转速和高增益恰恰是高性能驱动的根本前提。对17Bit的感应式旋转编码器而言，同样条件下计算出的电流跳跃仅为 400 mA。采用分辨率达25Bit的光学编码器时，电流跳跃更是小到只有 2 mA。对这两种编码器，不再有采用平滑过滤电路的必要性了。周期性误差的影响前面提到的有规律因素中的一种是周期性位置误差。它是在码盘两相邻元素（栅线或线圈）之间进行位置计算时产生的。一般也被称为细分误差。与码盘上的周期性结构相对应，这个误差体现为周期性误差。它除了影响定位精度外，还严重影响电机运行时的平顺度和噪音。图2展示了两种转速下，细分误差对控制环的影响。

按照由细分误差造成的位置误差的大小，速度控制环不断调整电机电流来使电机加速或减速。图3展示了转速、细分误差的周期和控制环的控制周期之间的关系。进给速度较低时，进给驱动跟随细分误差（图3，区域I）。随着转速的提高，周期性细分误差的频率也随之提高。

但是，进给驱动只能在其控制环带宽之内跟随细分误差的变化。超出控制带宽后，细分误差对电机轴运动的影响变小（图3，区域II）。与此相反，细分误差对电机电流的影响却不断增大，这在系统增益较高和反馈元件信号质量较差时，会导致驱动系统的异常噪声（图3，区域II和III）。如果继续提高转速，细分误差的谐波部分有可能达到或超过控制环处理频率的一半。此时，控制器会在较低的频率下跟随细分误差的谐波部分。在某些特定的转速区间内，细分误差的谐波可能再次进入到控制器带宽的区域 I 范围内， 并可能再次造成明显的位置误差。对于进给驱动的最高可实现精度而言，测量误差的幅值和周期都起决定性作用。驱动只在区域 I 范围内才会跟随周期性测量误差的谐波部分，而区域 I 的界限则取决于控制带宽。以配备了2048线编码器，控制带宽为 100 Hz的驱动为例，电机在 0 到 2,8转/分的范围内跟随细分误差的基波。因为子采样因素，细分误差的频率在 290 至 296 转/分，583 至 589 转/分等转速区间内再次进入到了控制带宽内。以配有2048线编码器的驱动为例，电机处与这些转速区间中时，位置误差的典型值在±30·10-6 弧度范围内。感应式编码器的信号周期数量远少于光学式编码器。这使得它细分误差的信号周期较长，造成电机跟随细分误差的频率范围显著变广。在采用 32 线感应编码器，并沿用表中所列的数值进行计算可知，直到电机转速为 188 转/分时，驱动电机都会跟随细分误差的基波运动。这时的典型位置误差要远大于刚才的例子，达到了 ±400·10-6 弧度。对旋转变压器而言，周期长短不同的谐波影响电机运转的平顺性。测量误差基波的周期为一转。沿用表1中所列的数值，在控制带宽为 100 Hz时，直到电机转速为 6000 转/分时，驱动电机都会跟随细分误差的基波运动。这意味着，基本上旋转变压器会在电机的整个转速范围中造成转速的不正常波动。模块式编码器集成方案好的伺服驱动应该可以适应不同精度的应用。为了达到所需的精度，正确选择测量元件起决定性作用。拥有统一机械尺寸和电气接口的系列测量元件是构建多用途、模块化伺服驱动产品的前提之一。海德汉公司的感应式和光学式编码器通过内部计算获得绝对式位置值，并通过可靠的 EnDat 双向数据交流接口和控制器交换数据。这样使得用户可以将采用了不同扫描原理的测量元件模块化地集成到自己的伺服系统中去。除此之外，通过 EnDat 接口，用户还可以将伺服驱动的各种参数以电子铭牌的形式存储在编码器的内存中，实现控制器对驱动产品的自动识别。图 4 所示的多用途编码器法兰设计可以实现高度灵活的测量元件的安装。电机端的安装轴用以固定编码器或旋转变压器的转子部分。定子部分的固定，在安装旋转变压器时多采用三点支撑；对光学或感应式编码器则利用定心孔保证径向位置，再采用膨胀圈或是偏心螺栓予以固定。

图4：多用途编码器法兰，可用于安装旋转变压器、感应式和光学式编码器图5：旋转变压器、感应式和光学式编码器：应用领域决定反馈元件的选择

总结旋转变压器的突出优点是其耐用性。相比之下，光学式编码器则在电机定位精度、转速平顺性和运转噪音等方面有不可比拟的绝对优势（图 5）。因此，采用了光学式扫描原理、EnDat 双向数据交换接口而且可以在多转范围内绝对式确定位置的编码器在包括机床用高动态伺服驱动等领域得到了广泛应用。感应式编码器的原理和旋转变压器相似，但是它可以实现17 Bit/每转的分辨率。和采用旋转变压器的驱动相比，采用感应式编码器时，驱动的运转因为更高的分辨率变得更为安静、平顺。驱动系统达到较高动态性能的能力也得以提高，这尤其对于采用了多个驱动电机，而且驱动电机之间有同步要求的应用有重要意义。海德汉感应式编码器和光学式编码器的机械安装尺寸、电气接口完全兼容，这使得用户可以极为方便地开发出精度等级不同的模块式系列电机产品。(end)

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