Urs Kafadar discusses encoder properties and their selection for position and speed control applications."> 考虑位置和速度的反馈传感 - 必威betway西

考虑位置和速度的反馈传感

2017年5月9日

用户需求说明书Kafadar讨论编码器属性及其在位置和速度控制应用中的选择。

数字增量编码器的信号。计数状态变化(通道A和B的信号边缘)的结果是一个编码器通道上每匝计数次数的四倍。
数字增量编码器的信号。计数状态变化(通道A和B的信号边缘)的结果是一个编码器通道上每匝计数次数的四倍。

数字增量编码器是许多小型电机应用的反馈传感器的选择。大多数应用程序的主要任务是位置控制或速度控制。在速度或位置控制的精度水平可以有很大的不同，所以应该在编码器选择之前定义。低速(低于100rpm)的转速控制比高速(1000rpm及以上)的转速控制需要更好的反馈。

负载可以直接耦合到电机上，也可以有一个机械转换系统。通常，编码器安装在电机轴上，但也可以安装在负载本身上。转换机构的机械性能将影响编码器的选择和齿轮减速器和机械发挥需要考虑。

温度、振动和电磁干扰等环境条件也会对编码器的选择产生影响。例如，光学编码器需要防尘。磁性编码器可能对外部磁场(包括电机的磁场)很敏感，可能需要屏蔽。

增量式编码器的特征参数是每转一圈电机的矩形脉冲数。通常，有两个通道传递相同的脉冲数。这两个信号的相对相移为一个脉冲长度的四分之一。这种安排允许检测电机旋转的方向，并给出每个脉冲四个不同的状态，或四次计数。它们代表的实际分辨率比一个通道上的脉冲数高4倍。编码器为1000 cpt(每转数或脉冲)，每转提供4000个状态或360°/4000 = 0.09°的标称分辨率。

编码器的分辨率可以变化，有许多因素会影响可实现的编码器分辨率——基本的物理原理(光学、磁、感应)、主要信号类型(模拟或数字)、信号处理(如插值)和机械布局等等。

编码器有多精确?
分辨率-状态的数量-给出了标称精度，位置在一个状态的误差范围内已知。然而，编码器脉冲长度可能会因机械公差而变化(例如，轴跳动，磁极长度和其他)。电机转动的一个范围内的脉冲可能比其他范围内的脉冲短。其结果是，测量位置与实际位置在一个周期的方式超过一个电机转。

最大偏差(峰与峰之间)称为集成非线性(INL)。INL在要求绝对位置精度的应用中很重要。重复性——即对于给定的设定值总是达到相同的位置——不受INL的影响。可重复性是一个信号抖动的问题，它通常少于一个状态。

绝对位置
增量编码器只是改变位置。对于绝对定位，必须首先通过将机构移动到外部参考点来建立参考点或主位置。

有些编码器有第三个通道，每转一个脉冲。该索引通道的边缘给出了一个回合内的绝对位置参考。外部参考的有限精度可以通过额外移动到索引通道边缘之一来提高。然而，索引通道并不是定位的先决条件。事实上，机器制造商尽量避免使用索引进行参考，因为如果必须更换电机编码器单元，则需要进行新的校准。

一些控制器使用索引通道交叉检查编码器信号和监督编码器计数每回合。线路驱动器建议在较长的线路传输和更好的信号质量。对于定位，线路驱动器避免丢失编码器脉冲。

线路驱动程序为每个通道生成反向信号。每个信号对一起传输，并评估其差值，过滤掉信号传输过程中的任何电磁干扰。作为一个副作用，信号质量得到了改善，信号边缘更清晰地定义，并且驱动程序功能能够在更远的距离上传输信号。

定位系统
对于定位系统，应用程序所需的定位分辨率将决定所选择的编码器分辨率。一个调优良好的系统可以将位置保持在一个编码器状态内。因此，编码器分辨率至少应对应于最大允许的定位误差。根据系统的响应时间，应选择较高的编码器分辨率，以便控制器更快地检测偏差并更快地抵消。

信号抖动，特别是如果与编码器的标称状态宽度相比较大，会降低可实现的重复性精度。在这方面，直接传感光学编码器比内插磁编码器有优势。直接传感大型光学编码器在绝对精度方面也有优势。它们的集成非线性(INL)很小。

通过附加移动到索引通道信号的边缘来提高参考位置的精度。
通过附加移动到索引通道信号的边缘来提高参考位置的精度。

机械转换
通过机械转换和相关的播放很难实现非常高的定位精度，因此高分辨率编码器仅在直接驱动应用中有意义。高精度定位往往需要较高的状态数和较高的绝对精度。光学编码器在这方面有优势-由于高分辨率和低INL。具有机械转换的驱动系统，如齿轮头或滚珠丝杠，不需要高编码器分辨率。安装在电机上的编码器的分辨率将乘以齿轮减速器。类似地，在螺距为5mm的螺钉上，适度的编码器分辨率为512四分位数，将导致螺母的理论位置精度约为10微米。

绝对编码器
增量式编码器只测量位置的变化，需要一个寻的过程来读取绝对位置。这通常以低速执行，所花费的时间在某些应用程序中是不可用的。在多轴系统中，寻的制导可能导致碰撞和损坏。在这种情况下，绝对编码器可以作为增量模型的替代方案。

在工业应用中，通常使用带有串行接口的绝对编码器以比特流的形式传输实际位置。总共只有6条线路就足以满足供电电压、数据传输和同步传输时序。

对于单圈绝对编码器，一轴旋转编码为N步。当旋转超过360°时，编码重复。典型的分辨率是每转12位或更多。在多转绝对编码器中，转数被额外编码并存储在相同的位流中。当单圈编码器的测量步骤数不够时，例如对于较长的路径，则需要多圈编码器。

速度控制
最高的编码器分辨率需要非常精确的速度控制。编码器分辨率随所需速度精度的平方而增加。此外，需要快速的速度控制回路，大的质量惯性有利于速度稳定性。
在控制器中通过计算给定时间间隔内状态变化的数量来评估速度。电机的实际转速会假设设定值，并会因为机械惯性而保持该值。

高速速度控制:编码器的电子元件限制了可以处理的最大脉冲频率。在某些情况下，这种限制源于机械方面的考虑，如不平衡和安装公差。

在控制器端编码器输入的频率限制也应该被考虑。如果需要非常高的速度，则应选择相应的低分辨率编码器。在数千转/分钟的高速下，相对速度变化几个百分点对应几个10转/分钟的绝对精度，是很容易实现的。

低速速度控制:虽然状态计数类型的速度评估结果在高速良好的速度控制，在非常低的速度变得困难。

为了减少绝对速度变化，需要更高的编码器分辨率和更快的控制器。想象一下在上面描述的情况下，一个5000 cpt的编码器;你会得到十倍多的反馈。然而，在低速时，控制回路应该能够反应更快，保持绝对速度偏差小。这两个要求都增加了对编码器的要求。编码器分辨率随绝对速度稳定性的平方而增加:一半的允许速度变化需要四倍高的编码器分辨率。

在非常低的速度下，一些控制器可以提供另一种速度评估解决方案，测量两个状态之间的时间。速度反馈值将更加均匀，允许更严格和更动态的控制。

乌尔斯·卡菲德(Urs Kafader)是maxon马达。


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