什么是位置編碼器？電機編碼器的類型、技術(shù)和性能指標

來源：工業(yè)運動控制技術(shù)

在過去的幾十年里，從傳統(tǒng)的并網(wǎng)電機向逆變器驅(qū)動電機的過渡一直在穩(wěn)步、持續(xù)地進行。這是工業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的重大轉(zhuǎn)型，通過提高電機和終端設(shè)備的使用效率，不僅實現(xiàn)了工藝改進，還能節(jié)省大量能源。變速驅(qū)動器和伺服驅(qū)動系統(tǒng)提高了電機控制性能，從而可以改善要求嚴苛應(yīng)用的質(zhì)量和同步功能。如圖1所示，功率級使用了功率逆變器、高性能位置檢測以及電流/電壓閉環(huán)反饋，因此電機性能和效率得以提高。

將變頻電壓施加于逆變器采用脈沖寬度調(diào)制的電機，可以實現(xiàn)對電機的開環(huán)速度控制。在穩(wěn)態(tài)或緩慢變化的動態(tài)條件下，這將相當有效，并且較低性能應(yīng)用中的許多電機驅(qū)動器采用開環(huán)速度控制，而不需要編碼器。但是，這種方法有幾個缺點：

由于沒有反饋，速度精度很有限

由于無法優(yōu)化電流控制，電機效率很低

必須嚴格限制瞬態(tài)響應(yīng)，以免電機喪失同步

圖1.閉環(huán)電機控制反饋系統(tǒng)

什么是位置編碼器？

編碼器通過跟蹤旋轉(zhuǎn)軸的速度和位置來提供閉環(huán)反饋信號。光學和磁編碼器技術(shù)使用非常廣泛，如圖2所示。在通用伺服驅(qū)動器中，編碼器用于測量軸位置，從中可推導(dǎo)出驅(qū)動器轉(zhuǎn)速。機器人和離散控制系統(tǒng)需要準確且可重復(fù)的軸位置。光學編碼器由帶有精細光刻槽的玻璃圓盤組成。

當光穿過圓盤或從圓盤反射時，光電二極管傳感器檢測光的變化。光電二極管的模擬輸出經(jīng)過放大和數(shù)字化處理后，通過有線電纜發(fā)送到逆變器控制器。磁編碼器由安裝在電機軸上的磁體和磁場傳感器組成，傳感器提供正弦和余弦模擬輸出，輸出經(jīng)過放大和數(shù)字化處理。光學和磁傳感器信號鏈類似，如圖2所示。

圖2.(a) 光學編碼器，(b) 磁編碼器

電機編碼器類型、技術(shù)和性能指標

單圈絕對值編碼器在通電后會返回機械或電氣360°范圍內(nèi)的絕對位置信號。電機軸的位置可以立即讀取。多圈絕對值編碼器不僅具有絕對位置功能，而且能提供360°圈數(shù)計數(shù)。相比之下，增量編碼器提供相對于旋轉(zhuǎn)起點的位置。增量編碼器提供一個索引脈沖來指示0°，并提供一個單脈沖來計數(shù)圈數(shù)，或提供一個雙脈沖來提供方向信息。

編碼器的分辨率是指電機軸旋轉(zhuǎn)360°時可以區(qū)分的位置數(shù)量。通常，最高分辨率的編碼器使用光學技術(shù)，而中高分辨率的編碼器使用磁或光學傳感器。中低分辨率編碼器使用旋變器（旋轉(zhuǎn)變壓器）或霍爾傳感器。光學或磁編碼器使用高分辨率信號調(diào)理。

大多數(shù)光學編碼器是增量式的。編碼器可重復(fù)性是一項關(guān)鍵性能指標，用于衡量編碼器返回到同一指令位置的一致性。這對于重復(fù)性任務(wù)至關(guān)重要，例如在PCB制造過程中，放置半導(dǎo)體所用的機器人或貼片機須具有良好的可重復(fù)性。

圖3.編碼器類型

表1.編碼器關(guān)鍵性能指標

電機編碼器精度和可重復(fù)性的重要性

貼片機/機器人是食品包裝和半導(dǎo)體制造行業(yè)中常用的自動化機器。為了提高工藝效率，需要具有高精度和可重復(fù)性的機器或機器人。使用高性能電機編碼器可實現(xiàn)高精度、可重復(fù)性和高效率。

圖4展示了機器人中的編碼器應(yīng)用案例。電機通過精密減速變速箱驅(qū)動機器臂中的每個關(guān)節(jié)。機器人關(guān)節(jié)角度通過電機上安裝的精密軸角編碼器(θm)和機器臂上安裝的附加編碼器(θj)來測量。

對于機器人，數(shù)據(jù)手冊上列出的主要性能規(guī)格是可重復(fù)性，其數(shù)量級通常在亞毫米級。在了解可重復(fù)性規(guī)格和機器人的作用范圍之后，就可以推斷旋轉(zhuǎn)編碼器的規(guī)格。

圖4.電機編碼器(θm)和關(guān)節(jié)編碼器(θj)的角度可重復(fù)性，以及機器人作用范圍(L)

關(guān)節(jié)編碼器所需的角度可重復(fù)性(θ)可從三角函數(shù)得出：機器人可重復(fù)性除以作用范圍的反正切。

多個關(guān)節(jié)結(jié)合起來可實現(xiàn)機器人的整體作用范圍。傳感器應(yīng)具有比目標角度精度更高的性能。必須改善每個關(guān)節(jié)的可重復(fù)性規(guī)格，這里假設(shè)改進10倍。對于電機編碼器，可重復(fù)性由齒輪比(G)定義。

例如，對于表2所示的機器人系統(tǒng)，關(guān)節(jié)編碼器需要20位到22位的可重復(fù)性規(guī)格，而電機編碼器需要14位到16位的分辨率。

表2.編碼器可重復(fù)性和機器人可重復(fù)性規(guī)格

審核編輯：湯梓紅