什么是編碼器，它如何提高逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能？

在過(guò)去的幾十年里，從傳統(tǒng)的并網(wǎng)電機(jī)向逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過(guò)渡一直在穩(wěn)步、持續(xù)地進(jìn)行。這是工業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的重大轉(zhuǎn)型，通過(guò)提高電機(jī)和終端設(shè)備的使用效率，不僅實(shí)現(xiàn)了工藝改進(jìn)，還能節(jié)省大量能源。變速驅(qū)動(dòng)器和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提高了電機(jī)控制性能，從而可以改善要求嚴(yán)苛應(yīng)用的質(zhì)量和同步功能。如圖1所示，功率級(jí)使用了功率逆變器、高性能位置檢測(cè)以及電流/電壓閉環(huán)反饋，因此電機(jī)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(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的開(kāi)環(huán)速度控制。在穩(wěn)態(tài)或緩慢變化的動(dòng)態(tài)條件下，這將相當(dāng)有效，并且較低性能應(yīng)用中的許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用開(kāi)環(huán)速度控制，而不需要編碼器。但是，這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：

● 由于沒(méi)有反饋，速度精度很有限

● 由于無(wú)法優(yōu)化電流控制，電機(jī)效率很低

● 必須嚴(yán)格限制瞬態(tài)響應(yīng)，以免電機(jī)喪失同步

圖1.閉環(huán)電機(jī)控制反饋系統(tǒng)

什么是位置編碼器？

編碼器通過(guò)跟蹤旋轉(zhuǎn)軸的速度和位置來(lái)提供閉環(huán)反饋信號(hào)。光學(xué)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(dòng)器中，編碼器用于測(cè)量軸位置，從中可推導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速。機(jī)器人和離散控制系統(tǒng)需要準(zhǔn)確且可重復(fù)的軸位置。光學(xué)編碼器由帶有精細(xì)光刻槽的玻璃圓盤(pán)組成。當(dāng)光穿過(guò)圓盤(pán)或從圓盤(pán)反射時(shí)，光電二極管傳感器檢測(cè)光的變化。光電二極管的模擬輸出經(jīng)過(guò)放大和數(shù)字化處理后，通過(guò)有線電纜發(fā)送到逆變器控制器。磁編碼器由安裝在電機(jī)軸上的磁體和磁場(chǎng)傳感器組成，傳感器提供正弦和余弦模擬輸出，輸出經(jīng)過(guò)放大和數(shù)字化處理。光學(xué)和磁傳感器信號(hào)鏈類似，如圖2所示。

圖2.(a) 光學(xué)編碼器，(b) 磁編碼器

電機(jī)編碼器類型、技術(shù)和性能指標(biāo)

單圈絕對(duì)值編碼器在通電后會(huì)返回機(jī)械或電氣360°范圍內(nèi)的絕對(duì)位置信號(hào)。電機(jī)軸的位置可以立即讀取。多圈絕對(duì)值編碼器不僅具有絕對(duì)位置功能，而且能提供360°圈數(shù)計(jì)數(shù)。相比之下，增量編碼器提供相對(duì)于旋轉(zhuǎn)起點(diǎn)的位置。增量編碼器提供一個(gè)索引脈沖來(lái)指示0°，并提供一個(gè)單脈沖來(lái)計(jì)數(shù)圈數(shù)，或提供一個(gè)雙脈沖來(lái)提供方向信息。

編碼器的分辨率是指電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)360°時(shí)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(xué)技術(shù)，而中高分辨率的編碼器使用磁或光學(xué)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(xué)或磁編碼器使用高分辨率信號(hào)調(diào)理。大多數(shù)光學(xué)編碼器是增量式的。編碼器可重復(fù)性是一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，用于衡量編碼器返回到同一指令位置的一致性。這對(duì)于重復(fù)性任務(wù)至關(guān)重要，例如在PCB制造過(guò)程中，放置半導(dǎo)體所用的機(jī)器人或貼片機(jī)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(biāo)

電機(jī)編碼器精度和可重復(fù)性的重要性

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

圖4展示了機(jī)器人中的編碼器應(yīng)用案例。電機(jī)通過(guò)精密減速變速箱驅(qū)動(dòng)機(jī)器臂中的每個(gè)關(guān)節(jié)。機(jī)器人關(guān)節(jié)角度通過(guò)電機(jī)上安裝的精密軸角編碼器(θm)和機(jī)器臂上安裝的附加編碼器(θj)來(lái)測(cè)量。

對(duì)于機(jī)器人，數(shù)據(jù)手冊(cè)上列出的主要性能規(guī)格是可重復(fù)性，其數(shù)量級(jí)通常在亞毫米級(jí)。在了解可重復(fù)性規(guī)格和機(jī)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(jī)編碼器(θm)和關(guān)節(jié)編碼器(θj)的角度可重復(fù)性，以及機(jī)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(jī)器人可重復(fù)性除以作用范圍的反正切。

多個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)合起來(lái)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的整體作用范圍。傳感器應(yīng)具有比目標(biāo)角度精度更高的性能。必須改善每個(gè)關(guān)節(jié)的可重復(fù)性規(guī)格，這里假設(shè)改進(jìn)10倍。對(duì)于電機(jī)編碼器，可重復(fù)性由齒輪比(G)定義。

例如，對(duì)于表2所示的機(jī)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(jī)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(jī)器人可重復(fù)性規(guī)格