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如何选择旋转编码器

作者:Tom Wyatt, Heidenhain公司2011.08.17阅读 5978

  伺服驱动器被用在自动化技术的多个领域,包括输送、打印、操控、生产型机器人以及工具型机器人。无论是进行位置控制还是速度控制,我们都应当根据某项应用对精度的要求为系统选择合适的旋转编码器或编码技术。
  一位工程师在选择某种编码器之前,应当全面掌握其主要的性能参数。这些参数与电机的性能表现紧密相关,包括了:
  ·定位准确性;
  ·速度稳定性;
  ·噪声,越小越好;
  ·能量消耗;
  ·带宽,决定了驱动器对信号指令的响应。

  定位准确性
  定位的准确性完全取决于应用要求。例如,大多数旋转变压器以旋转一周作为一个信号周期。这样的话,定位的分辨率相当有限,一般来说精度在±500"(角秒)范围内。如果驱动电路采用内插法,那么最大的位置分辨率在16384左右。
  另一方面控制工程网版权所有,许多采用了感应扫描系统的编码器可以实现很高的分辨率,一般来说每次旋转可以被分解为32个信号周期CONTROL ENGINEERING China版权所有,精度约为±280"。这种编码器都会采用内插法CONTROL ENGINEERING China版权所有,位置分辨率达到了131072。
  光学旋转编码器基于精确刻度,一般来说每次旋转可以被分解为2048个信号周期。在采用内插电路的情况下,分辨率相当惊人。它的输出分辨率可以达到25位,每次旋转可以被分解为33554432个绝对位置,精度在±20"左右。

  速度稳定性
  为了使驱动器的性能保持稳定CONTROL ENGINEERING China版权所有,编码器必需在每次旋转中及时完成大量的测量步骤。然而,工程师也必须关注编码信号的质量。为了满足高分辨率的要求,扫描信号必须采用内插形式。如果扫描不彻底、测量操作不规范或者信号不充分,那么信号都有可能偏离理想情况。在内插过程中,周期性循环的时间小于一个信号周期可能导致误差。因此,这一原因导致的定位误差也被称为“内插误差”。在高质量编码器中,这种误差一般在信号周期的1%到2%左右。(如前页图1、图2所示。)

  内插误差会对定位的准确性产生消极影响控制工程网版权所有,并且严重降低速度稳定性,增加驱动器的噪声。速度控制器根据误差曲线计算出用来加速或减缓驱动器的电流。当馈送率较低时,驱动器会增加内插误差。当速度上升时,内插误差的频率同样会增加。由于误差对电机产生的影响不会超出控制带宽,因此它对速度的影响会随着速度的上升而降低。然而它对电机电流的干扰仍然会增加,从而在控制回路增益较高的情况下带来驱动器噪声。
  如果编码器的分辨率和精度都很高,那么由于发热和能量损耗造成的电机电流抖动现象会减少。图3对三种扫描技术以及电路状况进行了对比。

图3:采用分解式、感应式和光学三种扫描系统的编码器的电流变化情况。

  带宽
  带宽(与命令响应和控制可靠度有关)受制于电机转轴和编码器转轴之间的耦合刚度,并且由耦合的固有频率决定。编码器需要在一段特定的速度范围内工作,具体范围一般在55Hz到2000Hz之间。然而,某些应用或者安装错误会引起长期的共振现象,从而降低编码器的性能甚至引起损坏。固有频率的变化由定子的耦合设计决定。为了使编码器达到最佳的性能表现,这一频率越高越好。
  这其中的关键是要保证编码器轴承与电机轴承刚好能够匹配。图片显示了这一操作是如何完成的。电机转轴上的锥形槽必需与编码器的中心完全对齐。(如图4所示)

  这种机械结构产生的保持力矩比采用两脚定子耦合的标准空心轴编码器大了将近4倍。这样的结构会增加编码器的使用寿命并且带来良好的固有频率/加速性能。此外,这种配置不会对驱动器的带宽造成任何制约。(如图5所示)

  为伺服驱动器选择一款合适的编码器需要考虑诸多因素。如果定位准确性是我们首先需要考虑的,那么我们也非常有必要知道其他一些参数,例如速度的稳定性、噪声、能量损耗、带宽,是否会对应用产生影响。如果我们一开始就做出了正确的选择,那么将会对电机或驱动器系统最终的性能表现产生积极的影响。
  (翻译:翁思健)

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