亨士樂編碼器伺服系統(tǒng)中的功能和作用

亨士樂編碼器是伺服電機(jī)的必要部件，是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的核心。這對(duì)伺服電機(jī)的性能乃至機(jī)器人的性能至關(guān)重要。不僅工業(yè)機(jī)器人，伺服電機(jī)也越來越多地用于自動(dòng)化。隨著工業(yè)機(jī)器人的蓬勃發(fā)展，Hengstler編碼器已成為自動(dòng)化行業(yè)的焦點(diǎn)之一。



工業(yè)旋轉(zhuǎn)編碼器的市場(chǎng)大致可分為用于自動(dòng)處理應(yīng)用（FA）的旋轉(zhuǎn)編碼器、用于過程控制和記錄（PA）的旋轉(zhuǎn)編碼、用于高精度測(cè)量的旋轉(zhuǎn)編碼器，用于數(shù)字信息應(yīng)用的Hengstler編碼器、安全保護(hù)旋轉(zhuǎn)編碼器、內(nèi)置測(cè)量?jī)x器等。在用于自動(dòng)處理的旋轉(zhuǎn)編碼器中，由于伺服電機(jī)的熱量，用于電機(jī)反饋的專用編碼器分為伺服反饋編碼器和矢量變頻反饋編碼器。由于近年來伺服電機(jī)和工業(yè)機(jī)器人熱點(diǎn)的快速發(fā)展，伺服編碼器的話題非常熱門，也存在著相當(dāng)?shù)睦Щ蠛蜖?zhēng)議。在亨士樂編碼器介紹系列中，西安德伍拓自動(dòng)化與網(wǎng)絡(luò)用戶討論伺服編碼器的各種特性和爭(zhēng)議點(diǎn)。



伺服電機(jī)和變頻電機(jī)的基本區(qū)別在于，它必須配備Hengstler編碼器反饋和位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制。如下所示：

電機(jī)反饋編碼器對(duì)伺服電機(jī)的重要財(cái)產(chǎn)具有決定性影響：

1.定位精度

2.速度穩(wěn)定性

3.決定驅(qū)動(dòng)器指令響應(yīng)時(shí)間和干擾保護(hù)性能的帶寬

4.伺服剛度

5.電機(jī)尺寸

6.功率損失

7.噪音和熱量

8.安全

特別地，伺服編碼器在輸出信號(hào)特性方面與普通亨士樂編碼器不同：

1.驅(qū)動(dòng)換向信號(hào)組：伺服編碼器（同步伺服電機(jī)）與普通編碼器不同的第一個(gè)特點(diǎn)是為啟動(dòng)電流換向提供傳感器信號(hào)反饋。當(dāng)同步伺服電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，編碼器根據(jù)每組UVW繞組的位置反饋提供電極啟動(dòng)位置，以確定電機(jī)繞組組線圈的驅(qū)動(dòng)電流相位。當(dāng)伺服控制需要加速和減速時(shí)，電機(jī)的加速和減速轉(zhuǎn)換由驅(qū)動(dòng)電流相位的進(jìn)度和減速控制，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速度的正負(fù)控制。

為了響應(yīng)這種位置反饋要求，Hengstler編碼器反向信號(hào)組主要具有以下三種形式：

帶UVW信號(hào)



逐周期的正弦和余弦CD信號(hào)（單周期絕對(duì)值的模擬信號(hào)）



數(shù)字單圈絕對(duì)編碼器信號(hào)



下圖顯示了這三種不同換向信號(hào)的光電碼盤



2.高分辨率輸出信號(hào)組：電機(jī)速度和加速度穩(wěn)定性所需的傳感器反饋和亨士樂編碼器輸出的高分辨率信號(hào)組。在高速旋轉(zhuǎn)過程中，采樣時(shí)間必須盡可能短，并且在非常短的采樣時(shí)間內(nèi)可以讀取足夠的變化信號(hào)以獲得準(zhǔn)確的減速信息。這要求編碼器具有高分辨率，以獲得單位時(shí)間內(nèi)角度變化的更高分辨率，并確定速度計(jì)算的精度。

伺服編碼器作為高分辨率信號(hào)輸出的信號(hào)組也是常見的：

四倍頻率2500線方波脈沖信號(hào)



2048用于細(xì)分的AB線相位正弦和余弦信號(hào)



高位數(shù)字17位數(shù)字串行信號(hào)、19位、22位、25位高分辨率等。



3.電子標(biāo)簽和安全防護(hù)。編碼器安裝在電機(jī)上，用于記錄每次電機(jī)啟動(dòng)的啟動(dòng)位置。它還提供各種參數(shù)存儲(chǔ)、測(cè)試代碼、預(yù)設(shè)報(bào)警等。當(dāng)選擇絕對(duì)編碼器時(shí)，應(yīng)選擇與雙向數(shù)字信號(hào)的接口，以便控制器在安裝和初始化電機(jī)時(shí)，可以向亨士樂編碼器寫入并保存電子標(biāo)簽，例如B.電動(dòng)機(jī)的原始位置的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和單個(gè)電動(dòng)機(jī)的起始位置的永久存儲(chǔ)。例如：2018年1月24日臘八節(jié)

4.綜合特性：精度和輸出更新周期。伺服電機(jī)的加速度、加速度響應(yīng)和精確傳感器反饋的重要貢獻(xiàn)是伺服電機(jī)的剛度。這是伺服編碼器綜合性能的核心要素。這種高精度包括角位置和輸出重復(fù)周期的精度，以及反饋時(shí)間和執(zhí)行時(shí)間之間的時(shí)間差。

伺服剛度：

“剛性”一詞最初來自離合器，意思是離合器兩端的輸入軸和輸出軸之間的連接是剛性的還是柔性的。如果是柔性連接，由于其靈活性，在角度和時(shí)間響應(yīng)方面會(huì)有損失或振動(dòng)。在伺服控制中，伺服控制是指從伺服控制命令的輸入到系統(tǒng)輸出的速度和位置的就地執(zhí)行能力，特別是在快速可變加速中就地執(zhí)行命令輸入和系統(tǒng)執(zhí)行輸出的響應(yīng)水平?；蛘咚欧到y(tǒng)的“服從程度”。



伺服剛度取決于許多因素，例如亨士樂編碼器精度、輸出重復(fù)率、伺服電機(jī)軸精度、伺服操作和輸出響應(yīng)、扭矩和負(fù)載變化、調(diào)制補(bǔ)償算法等。由于伺服算法獲得的信息源是編碼器信號(hào)的反饋，做好伺服剛度的第一步是有合適的伺服編碼器功率來調(diào)整它。最重要的是編碼器的精度和信號(hào)輸出的更新時(shí)間。目前，市場(chǎng)上對(duì)伺服編碼器精度的了解通常僅基于編碼器的分辨率。實(shí)際上，Hengstler編碼器的分辨率和精度是兩個(gè)概念，信號(hào)輸出的刷新時(shí)間，即比較編碼器的不同數(shù)字信號(hào)，也是市場(chǎng)上討論的焦點(diǎn)。在本系列的后面部分，我將嘗試與網(wǎng)絡(luò)用戶討論這些問題。

5.閉環(huán)旋轉(zhuǎn)編碼器：直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)（DD電機(jī)）和線性驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接輸出扭矩和位置定位，無需減速器。伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器必須通過減速裝置，是半封閉式旋轉(zhuǎn)編碼器。由于加工精度、安裝精度、齒隙、減速機(jī)構(gòu)的磨損以及溫度環(huán)境的變化，當(dāng)需要更高的精度時(shí)，必須配備線性光柵尺，或者低速端必須配備多旋轉(zhuǎn)絕對(duì)編碼器（您可以找到播放它的Q.），以形成全封閉旋轉(zhuǎn)圓（或準(zhǔn)全封閉電路）旋轉(zhuǎn)編碼器。此外，在多電機(jī)協(xié)調(diào)同步控制的情況下，只有通過對(duì)每個(gè)電機(jī)的完整閉環(huán)編碼器進(jìn)行同步比較，才能確保操作同步的可靠性。

6.內(nèi)置電子多圈計(jì)數(shù)器功能：在帶有減速器的半閉環(huán)情況下，為了消除安裝全閉環(huán)編碼器的需要，可以使用伺服尾部編碼器的旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器和編碼器的角度位置來計(jì)算減速器輸出端（低速端）的固定位置。定位精度是有限的，這取決于幾個(gè)因素，例如減速器的精度、齒隙和環(huán)境溫度以及算法。

基于上述伺服電機(jī)編碼器的功能要求，目前市場(chǎng)上有幾種常見的伺服編碼器：

12500線方波脈沖ABZ（包括逆相）和UVW（包括逆相位）換向信號(hào)，其中2500線方波信號(hào)在四倍頻率后可以達(dá)到10000/360度的實(shí)際分辨率，這是對(duì)應(yīng)于電機(jī)控制的位置和速度回路，UVW是位置換向，其對(duì)應(yīng)于具有4對(duì)波蘭、8對(duì)波蘭和更多對(duì)波蘭的同步伺服電機(jī)繞組線圈。該編碼器有許多輸出核心，包括兩條電源線，共14個(gè)核心。

22048線AB相位包含反正弦和余弦信號(hào)輸出，單周期CD相位包含反正弦波和余弦信號(hào)，這要求伺服控制器接收設(shè)備對(duì)正弦和余弦進(jìn)行分頻，以獲得更高分辨率（AB）和單周期位置（CD）控制換向。

編碼器的信號(hào)線是A+A-B-C+C-D--，電源是正的和負(fù)的。



3、2048 AB線相位包含反正弦和余弦信號(hào)，并添加數(shù)字串行信號(hào)。

例如，在早期的hiperface 1.0中，RS485信號(hào)+AB正弦和余弦，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)通過絕對(duì)值信號(hào)（RS485）獲得電機(jī)電機(jī)線圈的UVW位置，并在旋轉(zhuǎn)過程中選擇增量AB正弦和余弦信號(hào)，伺服控制器被劃分為更高分辨率（例如，10位，2048X1024劃分）

或類似于Endat2.1，RS422信號(hào)+AB正弦和余弦

或SSI、RS422信號(hào)+AB正弦和余弦

上述2的正弦和余弦信號(hào)在Hengstler編碼器中被分割并集成為數(shù)字信號(hào)，或者3中的兩組信號(hào)被組合為用于輸出的一組串行數(shù)字信號(hào)，其提供14位、17位、19位、22位、25位和其他數(shù)字信號(hào)。例如Endat 2.2、Bite、HiperFace、RS485、EtherCat（或其他總線和以太網(wǎng)信號(hào)）、DSL等。

上述17位至25位（單圈）分辨率編碼器并不意味著編碼器的精度，而是亨士樂編碼器的分辨率。相同的17位編碼器可能具有不同的精度。例如，17位是根據(jù)磁電原理（稱為17位磁編碼）劃分的，不像17位光盤那樣精確。即使是磁編碼也有許多模式，它們的精度也有很大差異。這是因?yàn)檫@些高分辨率編碼器內(nèi)部基于原始信號(hào)的正弦和余弦信號(hào)的細(xì)分。編碼器信號(hào)精度取決于編碼器原始信號(hào)的獲得方式、信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)精度以及細(xì)分和補(bǔ)償引起的電子誤差。

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