伺服驅(qū)動(dòng)控制環(huán)中的編碼器

1、伺服驅(qū)動(dòng)控制環(huán)中的編碼器 伺服驅(qū)動(dòng)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(duì)低成本、多轉(zhuǎn)，而且和旋轉(zhuǎn)變壓器一樣皮實(shí)的絕對(duì)式編碼器的需求在不斷增加。除此之外，如何簡(jiǎn)單快捷地通過(guò)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(hào)質(zhì)量對(duì)驅(qū)動(dòng)的性能有著決定性的影響。有限的分辨率和周期性測(cè)量誤差會(huì)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的精度和運(yùn)轉(zhuǎn)平順度有直接的影響。下面對(duì)不同編碼器技術(shù)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)控制環(huán)的影響做進(jìn)一步的分析。伺服驅(qū)動(dòng)用測(cè)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(guò)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(hào)周期，每個(gè)信號(hào)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(guò)識(shí)別兩個(gè)線圈間的感應(yīng)效應(yīng)來(lái)識(shí)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(hào)周期。這樣獲得的位置值在一圈之內(nèi)是絕對(duì)式的，但是通過(guò)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(guò)測(cè)量線圈間的感應(yīng)現(xiàn)象來(lái)識(shí)別位置變化。角度值的獲取是絕對(duì)式的。通過(guò)采用每圈13或32個(gè)信號(hào)周期的碼盤(pán)，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(dòng)圈數(shù)。感應(yīng)式編碼器線圈之間的距離對(duì)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(guò)計(jì)算線圈間距對(duì)感應(yīng)現(xiàn)象強(qiáng)弱的影響來(lái)對(duì)測(cè)量結(jié)果做實(shí)時(shí)的補(bǔ)償。 位置測(cè)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(cè)量時(shí)，可能受到有規(guī)律因素和無(wú)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(dòng)、 編碼器模擬信號(hào)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(hào)的相位誤差、 依據(jù)測(cè)量系統(tǒng)模擬信號(hào)進(jìn)行位置值計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的細(xì)分誤差。 無(wú)規(guī)律

4、因素的代表是： 測(cè)量系統(tǒng)模擬信號(hào)自有噪聲 在采用有限分辨率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行量化處理時(shí)產(chǎn)生的額外噪聲。 位置信號(hào)分辨率對(duì)控制環(huán)的影響 編碼器信號(hào)分辨率的影響可以用圖2中簡(jiǎn)化的控制環(huán)圖來(lái)說(shuō)明。對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)進(jìn)行 14Bit 細(xì)分后，其位置信號(hào)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(lái)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(duì)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(hào)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(wèn)題，使用旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí)，常需要配合使用平滑過(guò)濾電路對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的速度信號(hào)進(jìn)行處理。但是，這種方法會(huì)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(dòng)的根本前提。 對(duì)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(duì)這兩種編碼器，不再有采用平滑過(guò)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(pán)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(pán)上的周期性結(jié)構(gòu)相對(duì)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(duì)控制環(huán)的影響。但是，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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(duì)電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)的影響變?。▓D3，區(qū)域II）。與此相反，細(xì)分誤差對(duì)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(hào)質(zhì)量較差時(shí)，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)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(guò)控制環(huán)處理頻率的一半。此時(shí)，控制器會(huì)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(duì)于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的最高可實(shí)現(xiàn)精度而言，測(cè)量誤差的幅值和周期都起決定性作用。驅(qū)動(dòng)只在區(qū)域 I 范圍內(nèi)才會(huì)跟隨周期性測(cè)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(dòng)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)樽硬蓸右蛩兀?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(dòng)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(hào)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(hào)周期較長(zhǎng)，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(dòng)電機(jī)都會(huì)跟隨細(xì)分誤差的基波運(yùn)動(dòng)。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(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器而言，周期長(zhǎng)短不同的諧波影響電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性。測(cè)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(dòng)電機(jī)都會(huì)跟隨細(xì)分誤差的基波運(yùn)動(dòng)。這意味著，基本上旋轉(zhuǎn)變壓器會(huì)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(dòng)。 模塊式編碼器集成方案 好的伺服驅(qū)動(dòng)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(cè)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(cè)量元件是構(gòu)建多用途、模塊化伺服驅(qū)動(dòng)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(guò)內(nèi)部計(jì)算獲得絕對(duì)式位置值，并通過(guò)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(cè)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(guò) EnDat 接口，用戶還可以將伺服驅(qū)動(dòng)的各種參數(shù)以電子銘牌的形式存儲(chǔ)在編碼器