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1、满足伺服驱动高动态性能的旋转编码器作者：约翰内斯海德汉博士(中国)有限公司可控的伺服驱动技术在自动化领域有着广泛的应用，例如机器人、装卸系统以及生产型机床和机床工具等驱动的应用。为了增大控制环的增益需要充分考虑系统的动态性能、速度的稳定性及系统的刚性。位置编码器的选用是影响驱动控制性能好坏的一个非常重要的因素。特别是位置的分辨率及一个信号周期内的位置误差对系统性能影响非常明显。选用那种编码器技术完全取决于相关应用的精度要求。在电机上灵活的安装方式以及和控制系统同一的数据接口方式使得集成各种不同的编码器技术成为可能，便于实现驱动系统的模块化。伺服驱动用位置编码器编码器通常用来做伺服驱动的速度反馈
2、。图 1 示出了其外貌。图 1 编码器外貌通常电机转动一圈，旋转变压器输出一个信号周期。因此，位置分辨率非常有限，位置值完全取决于一圈内的信号。感应式旋转编码器每转有 32 或 16 个位置值，因此，可以实现更高的位置分辨率。角度位置是尽对位置值。光学式旋转编码器刻度盘上刻有 5122028 个信号周期的精细刻线，因此它的分辨率更高。多圈感应式和光学式旋转编码器能够记录 4096 圈以内的任一个尽对位置值。海德汉公司的感应式和光电式编码器通过内部计算获得尽对式位置值，并通过可靠的 EnDat2.2 双向数据接口和控制器交换数据。控制器不需要额外的计算就可以直接获得纯数字的尽对位置值。然而，对于
3、旋转变压器输出的模拟信号必须进行处理和计算，精细的计算也必须作为一个额外的本钱考虑在内。当然，旋转变压用具有很好的鲁棒性;海德汉的旋转编码器同样也具有很好的加速性能。表 1 示出了几种位置检测器件的比较。表 1 几种位置检测器件的主要性能比较周期性误差对控制性能的影响为了实现所需的高的分辨率，必须对扫描出来的正弦信号进行细分。不充分的扫描、丈量基体的污染以及信号处理的不完善都将会导致信号偏离理想的正弦信号，这样在细分时就会产生一个信号周期内的周期性误差，因此一个信号周期内的位置误差也称为细分误差。在高质量的编码器上细分误差通常是信号周期的 1%至 2%。细分误差会影响位置精度，同时也会非常明显
4、地降低驱动系统的速度稳定性以及带来噪音。速度控制器会根据误差曲线计算电流来增加或减低驱动系统的速度。在低速时驱动的进给滞后于细分误差。在加速时细分误差的频率也会增加。由于只有在控制系统的带宽范围以内电机才能跟随误差的波动，细分误差对速度稳定性的影响会随着速度的增加而减少。然而，它对电机电流的扰动继续增加，在高增益的控制环系统中将给驱动带来很大的扰动噪音。伺服驱动能达到的精度取决于丈量误差的幅值以及周期。由于旋转变压器一转只产生一个信号周期，细分误差就会有很大的影响:使用表 1 中的数据，控制系统的带宽设为 100Hz，驱动系统跟随周期为编码器一个信号周期的细分误差，速度可达 6000r/min
5、。也就是说在任何速度范围内都会有速度的波动。当使用光电式旋转编码器时，只是在低速时驱动系统才滞后于细分误差。使用和上面同样的例子，使用 2048 线的光电式旋转编码器，当速度在 0 至 2.8 r/min 时一个信号周期内的细分误差才会变得很明显。由此而引起的位置误差通常在 6”以内。位置分辨率对速度控制的影响应用在伺服驱动上的编码器的分辨率和精度通常是变化的，所以可能实现的最小丈量步距对控制环的影响需要密切关注。图 2 所示的简化的控制环示意图可以说明这个题目。只对速度控制环增益是线性的情况来分析有限的位置分辨率的主要影响。笔者忽略位置控制器和积分速度环，来分析下列参数的驱动系统:采样间隔
6、T: 100s;P-增益 KPG : 600s-1;电机惯量 JM : 0.001kgm2;恒定扭矩 KKM: 0.68Nm/A;根据这些参数，具有 14 位细分的旋转变压器的最小丈量步距，会引起 3.4A 的电流波动，也就意味着电机峰值电流的 50%需要考虑进来。而另一方面值得留意的是具有更小丈量步距 17 位的感应式编码器只有 400mA 的电流波动，25位的光电式旋转编码器电流的波动更小，只有不到 2mA,见图 4。图 2 简化的控制环示意图模块式设计伺服驱动必须能够在不同的精度要求时都能正常地工作。由于不同的精度要求决定了选择那种编码器技术, 通用的安装方式是通用模块式驱动系统的先决条
7、件。最理想的情况是:各种不同类型的编码器光电式、感应式以及旋转变压器,不需要额外的转接法兰都能安装在电机上。图 3 所示的设计能满足要求。值得一提的是海德汉编码器(不管是光电式还是感应式的)安装要求是一样的。图 3 安装方式图 4 不同编码器的电流波动a)旋转变压器(红)b)感应式旋转编码器(蓝)c)光电式旋转编码器( 绿)表 2 海德汉公司编码器的主要参数图 5 海德汉公司的编码器外形结语与控制系统设计和结构一样，丈量技术也是决定电气驱动性能的因素之一。机床各个轴的位置精度和速度稳定性决定了工件和产品质量的好坏。这就需要位置编码器能够提供足足数目的丈量步数和好的信号质量。驱动系统的机械方面的
8、影响和编码器的位置误差都将引起速度稳定性的不规则变化。假如丈量信号的分辨率太低或者细分误差太大，波浪状的误差就会出现在工件加工表面。在生产系统里面特定运动的速度稳定性也可以看作与质量有关的生产参数。编码器的分辨率和精度在很大程度上能进步电机的速度稳定性，同时，也极大地减少了电机电流的波动。电机运转时噪音小，产生的热量也会很少。理想的具有高细分倍数的输出信号支持高的带宽，也就是说载荷的变化对旋转速度的影响很小。伺服驱动用编码器海德汉公司提供的编码器(见图 5)非常适合应用在自动化领域的驱动电机及车床的驱动电机上，如表 2 所示。其明显的特点是:小的总体误差、高扭转刚性的联轴器以及高的细分倍数。EnDat 接口便于实现系统的模块化。它不仅能够传输尽对位置值，而且能够同时传输附加信息。如:温度、诊断数据、测试数据，同时还有供自动识别的参数等，能够给用户带来下面的便利：数字化的位置值传输进步了传输的可靠性;EnDat 接口支持驱动系统自学习，减少了可能因维修而停机的时间;EnDat 接口的电缆简单、本钱低，这将大大简化工程项目的机械设备和本钱。(end)
