运动反馈:旋转编码器选择

控制伺服驱动器用于自动化技术的许多领域，转换，印刷，搬运和机器人，包括生产机器和机床。在系统内使用的旋转编码器或编码器技术的选择取决于应用精度要求，无论是位置和/或速度控制。

在做出编码器决定之前，工程师应该检查所有对重要电机性能影响最大的编码器特性，包括:

• 定位精度
• 速度稳定
• 能听见的噪音，越少越好
• 功率损耗
• 带宽，它决定驱动器命令信号响应

定位精度

定位精度完全取决于应用要求。例如，大多数解析器每转一次就有一个信号周期。因此，位置分辨率是非常有限的，精度通常是在~±500”(弧秒)的范围内，假设插补在驱动电子通常导致每转16,384个位置。

另一方面，在许多旋转编码器中发现的感应扫描系统将提供更高的分辨率，通常在每转32个信号周期的范围内，导致精度为~±280”。在这种情况下，插值是编码器的内部，导致每转131,072个位置。

光学旋转编码器基于非常精细的刻度，通常每转有2048个信号周期，因此内部插补电子器件甚至可以实现更高的分辨率。这里的输出分辨率为25位，每转33,554,432个绝对位置，精度范围为~±20”。

速度稳定

为了确保平稳的驱动性能，编码器必须提供大量的每转的测量步骤作为拼图的第一块。然而，工程师还必须注意编码器信号的质量。为了达到所需的高分辨率，扫描信号必须内插。扫描不充分、测量标准的污染和信号调理不足会导致信号偏离理想形状。在插补过程中，会出现周期周期在一个信号周期内的误差。因此，在一个信号周期内的这些位置误差也被称为“插补误差”。对于高质量的编码器，这些误差通常是信号周期的1%到2%。(见图1和图2。)

插补误差对定位精度有不利影响，也显著降低了速度稳定性和稳定性可听噪音驱动器的行为。速度控制器根据误差曲线计算用于制动或加速驱动器的标称电流。在低进给速率下，进给驱动滞后于插补误差。随着速度的增加，插补误差的频率也会增加。由于电机只能跟随控制带宽内的误差，其对速度稳定性行为的影响随着速度的增加而减小。然而，电机电流中的扰动持续增加，这导致驱动器在高控制环路增益时产生扰动噪声。

更高的分辨率和精度也减少了干扰电机电流的方式发热和功率损失．该图表比较了三种扫描技术和产生的电流。

带宽

带宽(相对于命令响应和控制可靠性)可以受到电机轴和编码器轴之间耦合的刚度以及耦合的固有频率的限制。编码器有资格在指定的加速度范围内运行。一般范围为55hz ~ 2000hz。然而，如果应用或安装不良导致长时间的共振振动，它将限制性能并可能损坏编码器。

固有频率取决于定子耦合设计。为了获得最佳性能，这个频率需要尽可能高。

关键是要确保编码器的轴承和电机的轴承尽可能接近完美对齐。下图显示了这是如何完成的。电机轴和编码器的匹配锥度确保接近完美的对准中心线。

这种机械配置将导致持有扭矩约4倍大的标准空心轴编码器与2安装片式定子联轴器(如下)。这将增加编码器的轴承寿命，并提供特殊的固有频率/加速度特性。此外，这种配置几乎消除了驱动器带宽上的任何限制。

许多因素影响选择适当的旋转编码器用于控制伺服驱动器。虽然定位精度要求在考虑过程中是至关重要的，但了解其他属性如何影响应用也很重要，例如速度稳定性、噪声、可能的功率损耗和带宽。从一开始的良好配合将最终为电机/驱动系统提供积极的性能。

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Tom Wyatt是北美Heidenhain自动化部门经理，www.heidenhain.us。

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