編碼器在伺服的作用與常見伺服編碼器

伺服編碼器是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)核心伺服電機(jī)的必配，對(duì)于伺服電機(jī)性能乃至機(jī)器人性能的作用極為關(guān)鍵。不僅僅是工業(yè)機(jī)器人，伺服電機(jī)在自動(dòng)化應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。隨著工業(yè)機(jī)器人大熱，而其中的伺服編碼器也成為自動(dòng)化行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

（圖片來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)）

工業(yè)編碼器的市場(chǎng)大致可分為自動(dòng)化加工應(yīng)用類（FA)編碼器、過程控制及記錄類(PA)編碼器、高精度測(cè)量類編碼器、數(shù)字信息化應(yīng)用類編碼器、安全保護(hù)類編碼器、內(nèi)置儀表類編碼器等等，其中在自動(dòng)化加工應(yīng)用類編碼器中，又由于伺服電機(jī)的熱度分出了電機(jī)反饋專用型編碼器—伺服反饋編碼器和矢量變頻反饋編碼器。由于近年來(lái)伺服電機(jī)的迅猛發(fā)展和工業(yè)機(jī)器人熱點(diǎn)，有關(guān)伺服編碼器的話題很熱，也頗有困惑與爭(zhēng)議。我在此伺服編碼器簡(jiǎn)介系列的介紹中，與網(wǎng)友們共同探討伺服編碼器的各種特點(diǎn)與爭(zhēng)論疑點(diǎn)。

伺服電機(jī)與變頻電機(jī)根本的不同是必須配有編碼器反饋，在每一個(gè)時(shí)刻的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制。如下圖：

伺服反饋編碼器對(duì)伺服電機(jī)的重要特性具有決定性的影響：

1， 定位精度

2， 速度穩(wěn)定性

3， 帶寬，它決定驅(qū)動(dòng)指令的響應(yīng)時(shí)間和抗干擾性能

4， 伺服剛性

5， 電機(jī)尺寸

6, 功率損耗

7， 噪音與發(fā)熱

8， 安全性

其中特別是伺服編碼器在輸出信號(hào)特征上與普通編碼器的不同：

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)，是要提供啟動(dòng)電流換向的傳感信號(hào)反饋。在同步伺服電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)，電極啟動(dòng)位置由編碼器提供，對(duì)應(yīng)每組UVW繞組的位置反饋，以確定電機(jī)繞線組線圈驅(qū)動(dòng)電流相位。當(dāng)伺服控制需要加速、減速時(shí)，通過驅(qū)動(dòng)電流相位的提前量與滯后量，控制電機(jī)的加速與減速轉(zhuǎn)換，以達(dá)到對(duì)電機(jī)加速度正與反的控制。

應(yīng)對(duì)這樣的位置反饋要求，伺服編碼器換向信號(hào)組主要有以下三種形式：

帶有UVW信號(hào)

一圈一個(gè)周期的正余弦的CD信號(hào)（模擬量單圈絕對(duì)值信號(hào)）

數(shù)字量單圈絕對(duì)值編碼器信號(hào)

下圖是這三種不同換向信號(hào)的光電碼盤

2，高分辨率輸出的信號(hào)組：電機(jī)轉(zhuǎn)速與加速平穩(wěn)性要求的傳感反饋，需要編碼器輸出的高分辨率信號(hào)組。在高速旋轉(zhuǎn)過程中，要求采樣周期盡可能短，而在很短的采樣周期內(nèi)可分辨讀取的變化量信號(hào)足夠多，才能得到精確的速度反饋信息。這就需要編碼器具有高分辨率以獲得單位時(shí)間內(nèi)更多的角度變化分辨，確定速度計(jì)算的精度。

伺服編碼器輸出的這組作為高分辨率的信號(hào)常見的也有以下幾種：

2500線方波脈沖信號(hào)——四倍頻

2048線AB相正余弦信號(hào)——細(xì)分

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

3，電子標(biāo)簽與安全保護(hù)。編碼器在電機(jī)上安裝初始位置的寄存，便于每次電機(jī)啟動(dòng)。以及提供各種參數(shù)保存、校驗(yàn)碼、預(yù)設(shè)報(bào)警等等。如果選用絕對(duì)值編碼器，宜選用具有雙向數(shù)字化信號(hào)的接口，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)安裝初始化時(shí)控制器向編碼器寫入電子標(biāo)簽并保存，例如電機(jī)轉(zhuǎn)子原點(diǎn)位置的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)并該單電機(jī)永久性保存初始位置。例如保存：2018年1月24日臘八節(jié) @Q

4，綜合特性：精度與輸出刷新周期。伺服電機(jī)的加速度、加加速度響應(yīng)及精度的傳感反饋的重要貢獻(xiàn)，也就是伺服的剛性.——這才是伺服編碼器綜合性能的核心要素。這需要編碼器在有高分辨率的同時(shí)還具有高精度，這個(gè)高精度包括角度位置的精度與輸出刷新周期、反饋時(shí)間與執(zhí)行到位時(shí)間差的時(shí)差高精度

伺服的剛性：

剛性一詞，原本出自于聯(lián)軸器，指聯(lián)軸器兩端輸入軸與輸出軸的聯(lián)結(jié)是剛性的還是柔性的，如果是剛性聯(lián)接，那么輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸在旋轉(zhuǎn)角度與時(shí)間響應(yīng)上沒有任何損失。而如果是柔性的聯(lián)接，由于有柔性彈性，在角度與時(shí)間響應(yīng)上會(huì)有損失，或振蕩。在伺服控制中，伺服剛性是指輸入伺服控制指令到系統(tǒng)輸出的速度與位置的執(zhí)行到位能力，尤其是在快速的變加速度中指令輸入與系統(tǒng)執(zhí)行輸出到位的響應(yīng)程度?；蛘哒f伺服的“聽話程度”。

伺服剛性取決于編碼器的精度、輸出刷新率，到伺服電機(jī)的軸系精度、伺服運(yùn)算與輸出響應(yīng)，力矩與負(fù)載的變化、調(diào)制補(bǔ)償算法等等很多因素，由于伺服算法獲得信息的來(lái)源是編碼器信號(hào)的反饋，因此要做好伺服剛性首先就是要有合適的伺服編碼器性能與之匹配，這其中最主要的就是編碼器的精度與信號(hào)輸出刷新時(shí)間。目前市場(chǎng)上對(duì)伺服編碼器精度理解常常僅以編碼器的分辨率來(lái)理解，事實(shí)上編碼器的分辨率與精度是兩個(gè)概念，而信號(hào)輸出的刷新周期，也就是編碼器的各種數(shù)字信號(hào)比較，也是市場(chǎng)上議論的焦點(diǎn)，在本系列的后面幾篇我試圖來(lái)與網(wǎng)友們討論交流這些問題.

5,全閉環(huán)編碼器：直驅(qū)伺服電機(jī)（DD馬達(dá)）和直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)需減速機(jī)構(gòu)，直接輸出力矩與位置定位，其所配的編碼器為角度編碼器或直線光柵尺，它們是全閉環(huán)編碼器。需要經(jīng)過減速裝置的伺服電機(jī)，其所配的編碼器是半閉環(huán)編碼器，由于減速機(jī)構(gòu)的加工精度、安裝精度、齒隙、使用磨損、溫度環(huán)境帶來(lái)的變化，如需要有更高的精度，需要再配直線光柵尺，或者低速端加裝多圈絕對(duì)值編碼器（要玩這個(gè)可以找@Q。) ，構(gòu)成全閉環(huán)（或類全閉環(huán)）編碼器。另外在多電機(jī)協(xié)調(diào)同步控制時(shí)，有各個(gè)電機(jī)全閉環(huán)編碼器的同步對(duì)比，才能夠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：在加有減速機(jī)的半閉環(huán)情況下，為省去加裝全閉環(huán)編碼器，而利用伺服尾部編碼器的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計(jì)數(shù)器和編碼器的角度位置，來(lái)推算出減速機(jī)輸出端（低速端）的定位位置。定位精度有限，受制于減速裝置精度、齒隙與環(huán)境溫度等，以及算法等等多重因素。

綜合上述伺服電機(jī)編碼器在功能上的要求，目前市場(chǎng)上的常見的伺服編碼器有如下幾種：

1， 2500線方波脈沖ABZ（含反相），和UVW（含反相）的換向信號(hào)，其中2500線方波脈沖信號(hào)可以經(jīng)過一次四倍頻而達(dá)到實(shí)際分辨率10000/360度，是對(duì)應(yīng)電機(jī)控制的位置與速度環(huán)，UVW是對(duì)應(yīng)同步伺服電機(jī)繞組線圈的位置換向，有4對(duì)極、8對(duì)極及更多對(duì)極等等。這種編碼器的輸出芯線很多，并包含電源兩根線在內(nèi)，總共有14芯線。

2，2048線AB相含反相的正余弦信號(hào)輸出與單圈周期的CD相含反相的正余弦信號(hào)，這都需要伺服控制器接收設(shè)備再給正余弦信號(hào)細(xì)分，獲取更高分辨率（AB），以及單圈位置（CD）控制換向。

信號(hào)線為A+A-，B+B-，C+C-，D+D-,電源正負(fù)。

3，2048線AB相含反相的正余弦信號(hào)，并加數(shù)字串行信號(hào)。

例如早期的hiperface1.0，RS485信號(hào)+AB正余弦，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)通過絕對(duì)值的信號(hào)（RS485）獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈UVW位置，旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)選用增量的AB正余弦信號(hào)，伺服控制器接收正余弦信號(hào)后細(xì)分為更高的分辨率（例如細(xì)分10位，2048 X 1024）

或者類似方式的Endat2.1，RS422信號(hào)+AB正余弦

或者SSI，RS422信號(hào)+AB正余弦

4，上述2的正余弦信號(hào)在編碼器內(nèi)部細(xì)分整合為數(shù)字信號(hào)，或者3中的兩組信號(hào)合并在一組串行數(shù)字信號(hào)輸出，提供14位，17位，19位，22位，25位等等數(shù)字信號(hào)。例如Endat2.2，Biss，HiperFace，RS485，EtherCat（或其他總線式、以太網(wǎng)式信號(hào)），DSL等等。

在上述我們提到的17位~25位（單圈）分辨率的編碼器，都不是指編碼器的精度，而是指編碼器的分辨率，同樣是17位的編碼器，很有可能精度是不一樣的，例如用磁電原理細(xì)分的17位（簡(jiǎn)稱磁編17位），其精度不如光學(xué)碼盤17位的精度，即使是磁編也有很多種模式，其精度也相差很大。這是因?yàn)檫@些高位數(shù)分辨率的編碼器內(nèi)部都是依據(jù)原始信號(hào)正余弦信號(hào)的細(xì)分獲得的高分辨率，編碼器信號(hào)精度取決于編碼器原始信號(hào)獲得的方式、信號(hào)品質(zhì)與系統(tǒng)精度，以及細(xì)分與補(bǔ)償帶來(lái)的電子誤差。