伺服驅(qū)動控制環(huán)中的編碼器

1、伺服驅(qū)動控制環(huán)中的編碼器 伺服驅(qū)動常常配備有用作位置和速度控制的編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。對低成本、多轉(zhuǎn)，而且和旋轉(zhuǎn)變壓器一樣皮實(shí)的絕對式編碼器的需求在不斷增加。除此之外，如何簡單快捷地通過串行接口將編碼器和控制器相聯(lián)接也是重要議題。采用感應(yīng)式掃描原理，擁有多轉(zhuǎn)分辨率和雙向 EnDat 通訊協(xié)議的編碼器填補(bǔ)了旋轉(zhuǎn)變壓器和光學(xué)編碼器之間的空隙。 除了編碼器的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)外，編碼器的信號質(zhì)量對驅(qū)動的性能有著決定性的影響。有限的分辨率和周期性測量誤差會對伺服驅(qū)動的精度和運(yùn)轉(zhuǎn)平順度有直接的影響。下面對不同編碼器技術(shù)對伺服驅(qū)動控制環(huán)的影響做進(jìn)一步的分析。伺服驅(qū)動用測量系統(tǒng) 采用光學(xué)掃描原理的編碼器的核心是細(xì)微

2、的光柵柵線，它使得通過電子處理達(dá)到極高的分辨率成為可能。光學(xué)編碼器通常每轉(zhuǎn)產(chǎn)生512或2048個(gè)信號周期，每個(gè)信號周期再電子細(xì)分12或14Bit。這已成為高精度應(yīng)用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。多轉(zhuǎn)式光學(xué)編碼器可以在4096轉(zhuǎn)之內(nèi)唯一確定圈數(shù)。 旋轉(zhuǎn)變壓器通過識別兩個(gè)線圈間的感應(yīng)效應(yīng)來識別位置，通常電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出一個(gè)信號周期。這樣獲得的位置值在一圈之內(nèi)是絕對式的，但是通過電子細(xì)分所能達(dá)到的分辨率就十分有限了。 感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器也是通過測量線圈間的感應(yīng)現(xiàn)象來識別位置變化。角度值的獲取是絕對式的。通過采用每圈13或32個(gè)信號周期的碼盤，可以獲得比旋轉(zhuǎn)變壓器高得多的位置分辨率。和光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器相似，感

3、應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器也可以在4096轉(zhuǎn)之內(nèi)唯一確定轉(zhuǎn)動圈數(shù)。感應(yīng)式編碼器線圈之間的距離對精度有很大的影響。伺服電機(jī)內(nèi)部的熱變形是造成編碼器線圈間距變化的一個(gè)原因。為此海德漢的感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器配備了高度集成化的專用芯片。這些芯片通過計(jì)算線圈間距對感應(yīng)現(xiàn)象強(qiáng)弱的影響來對測量結(jié)果做實(shí)時(shí)的補(bǔ)償。 位置測量的限制因素 旋轉(zhuǎn)變壓器和旋轉(zhuǎn)編碼器在進(jìn)行位置測量時(shí)，可能受到有規(guī)律因素和無規(guī)律因素的干擾。 有規(guī)律因素的代表為： 因編碼器安裝剛性不足造成的振動、 編碼器模擬信號的偏置、相位和幅值誤差、 因反饋元件和控制器間傳輸帶寬限制造成的位置信號的相位誤差、 依據(jù)測量系統(tǒng)模擬信號進(jìn)行位置值計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的細(xì)分誤差。 無規(guī)律

4、因素的代表是： 測量系統(tǒng)模擬信號自有噪聲 在采用有限分辨率對模擬信號進(jìn)行量化處理時(shí)產(chǎn)生的額外噪聲。 位置信號分辨率對控制環(huán)的影響 編碼器信號分辨率的影響可以用圖2中簡化的控制環(huán)圖來說明。對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號進(jìn)行 14Bit 細(xì)分后，其位置信號最小可分辨步距（LSB: least significant Bit）為 : SLSB = 38410-6 弧度。采用常用的差分運(yùn)算來計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)，由此產(chǎn)生的速度誤差在考慮分辨率對電機(jī)電流的影響時(shí)，可以忽略位置控制環(huán)和速度控制環(huán)的積分項(xiàng)I 。采用表1中所列的參數(shù)計(jì)算時(shí)，編碼器反饋信號的不連續(xù)變化在圖2所示的控制環(huán)中造成了跳躍式的，約3.4安培的理論電流變化。

5、這大概相當(dāng)于該電機(jī)50%的峰值電流。為了解決這個(gè)問題，使用旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí)，常需要配合使用平滑過濾電路對旋轉(zhuǎn)變壓器的速度信號進(jìn)行處理。但是，這種方法會造成控制環(huán)的相位損失，進(jìn)而限制了控制環(huán)所能達(dá)到的最大增益。降低電機(jī)轉(zhuǎn)速和控制環(huán)增益可以減少這種現(xiàn)象的負(fù)面影響，但是眾所周知，高轉(zhuǎn)速和高增益恰恰是高性能驅(qū)動的根本前提。 對17Bit的感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器而言，同樣條件下計(jì)算出的電流跳躍僅為 400 mA。采用分辨率達(dá)25Bit的光學(xué)編碼器時(shí)，電流跳躍更是小到只有 2 mA。對這兩種編碼器，不再有采用平滑過濾電路的必要性了。 周期性誤差的影響 前面提到的有規(guī)律因素中的一種是周期性位置誤差。它是在碼盤兩相鄰元

6、素（柵線或線圈）之間進(jìn)行位置計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的。一般也被稱為細(xì)分誤差。與碼盤上的周期性結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，這個(gè)誤差體現(xiàn)為周期性誤差。它除了影響定位精度外，還嚴(yán)重影響電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平順度和噪音。圖2展示了兩種轉(zhuǎn)速下，細(xì)分誤差對控制環(huán)的影響。但是，進(jìn)給驅(qū)動只能在其控制環(huán)帶寬之內(nèi)跟隨細(xì)分誤差的變化。超出控制帶寬后，細(xì)分誤差對電機(jī)軸運(yùn)動的影響變?。▓D3，區(qū)域II）。與此相反，細(xì)分誤差對電機(jī)電流的影響卻不斷增大，這在系統(tǒng)增益較高和反饋元件信號質(zhì)量較差時(shí)，會導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)的異常噪聲（圖3，區(qū)域II和III）。 如果繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，細(xì)分誤差的諧波部分有可能達(dá)到或超過控制環(huán)處理頻率的一半。此時(shí)，控制器會在較低的頻率下跟隨細(xì)分誤差

7、的諧波部分。在某些特定的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，細(xì)分誤差的諧波可能再次進(jìn)入到控制器帶寬的區(qū)域 I 范圍內(nèi)， 并可能再次造成明顯的位置誤差。對于進(jìn)給驅(qū)動的最高可實(shí)現(xiàn)精度而言，測量誤差的幅值和周期都起決定性作用。驅(qū)動只在區(qū)域 I 范圍內(nèi)才會跟隨周期性測量誤差的諧波部分，而區(qū)域 I 的界限則取決于控制帶寬。以配備了2048線編碼器，控制帶寬為 100 Hz的驅(qū)動為例，電機(jī)在 0 到 2,8轉(zhuǎn)/分的范圍內(nèi)跟隨細(xì)分誤差的基波。因?yàn)樽硬蓸右蛩?，?xì)分誤差的頻率在 290 至 296 轉(zhuǎn)/分，583 至 589 轉(zhuǎn)/分等轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)再次進(jìn)入到了控制帶寬內(nèi)。以配有2048線編碼器的驅(qū)動為例，電機(jī)處與這些轉(zhuǎn)速區(qū)間中時(shí)，位置誤差

8、的典型值在3010-6 弧度范圍內(nèi)。 感應(yīng)式編碼器的信號周期數(shù)量遠(yuǎn)少于光學(xué)式編碼器。這使得它細(xì)分誤差的信號周期較長，造成電機(jī)跟隨細(xì)分誤差的頻率范圍顯著變廣。在采用 32 線感應(yīng)編碼器，并沿用表中所列的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算可知，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速為 188 轉(zhuǎn)/分時(shí)，驅(qū)動電機(jī)都會跟隨細(xì)分誤差的基波運(yùn)動。這時(shí)的典型位置誤差要遠(yuǎn)大于剛才的例子，達(dá)到了 40010-6 弧度。 對旋轉(zhuǎn)變壓器而言，周期長短不同的諧波影響電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性。測量誤差基波的周期為一轉(zhuǎn)。沿用表1中所列的數(shù)值，在控制帶寬為 100 Hz時(shí)，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速為 6000 轉(zhuǎn)/分時(shí)，驅(qū)動電機(jī)都會跟隨細(xì)分誤差的基波運(yùn)動。這意味著，基本上旋轉(zhuǎn)變壓器會在電機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍中造成轉(zhuǎn)速的不正常波動。 模塊式編碼器集成方案 好的伺服驅(qū)動應(yīng)該可以適應(yīng)不同精度的應(yīng)用。為了達(dá)到所需的精度，正確選擇測量元件起決定性作用。擁有統(tǒng)一機(jī)械尺寸和電氣接口的系列測量元件是構(gòu)建多用途、模塊化伺服驅(qū)動產(chǎn)品的前提之一。 海德漢公司的感應(yīng)式和光學(xué)式編碼器通過內(nèi)部計(jì)算獲得絕對式位置值，并通過可靠的 EnDat 雙向數(shù)據(jù)交流接口和控制器交換數(shù)據(jù)。這樣使得用戶可以將采用了不同掃描原理的測量元件模塊化地集成到自己的伺服系統(tǒng)中去。除此之外，通過 EnDat 接口，用戶還可以將伺服驅(qū)動的各種參數(shù)以電子銘牌的形式存儲在編碼器