可控的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如機(jī)器人、裝卸系統(tǒng)以及生產(chǎn)型機(jī)床和機(jī)床工具等驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。為了增大控制環(huán)的增益需要充分考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、速度的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的剛性。位置編碼器的選用是影響驅(qū)動(dòng)控制性能好壞的一個(gè)非常重要的因素。特別是位置的分辨率及一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的位置誤差對(duì)系統(tǒng)性能影響非常明顯。

選用那種編碼器技術(shù)完全取決于相關(guān)應(yīng)用的精度要求。在電機(jī)上靈活的安裝方式以及和控制系統(tǒng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口方式使得集成各種不同的編碼器技術(shù)成為可能，便于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模塊化。

伺服驅(qū)動(dòng)用位置編碼器

編碼器通常用來(lái)做伺服驅(qū)動(dòng)的速度反饋。圖1示出了其外貌。

圖1 編碼器外貌
通常電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出一個(gè)信號(hào)周期。因此，位置分辨率非常有限，位置值完全取決于一圈內(nèi)的信號(hào)。感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)有32或16個(gè)位置值，因此，可以實(shí)現(xiàn)更高的位置分辨率。角度位置是絕對(duì)位置值。光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器刻度盤上刻有512～2028個(gè)信號(hào)周期的精細(xì)刻線，因此它的分辨率更高。多圈感應(yīng)式和光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器能夠記錄4096圈以內(nèi)的任一個(gè)絕對(duì)位置值。

海德漢公司的感應(yīng)式和光電式編碼器通過(guò)內(nèi)部計(jì)算獲得絕對(duì)式位置值，并通過(guò)可靠的 EnDat2.2 雙向數(shù)據(jù)接口和控制器交換數(shù)據(jù)。控制器不需要額外的計(jì)算就可以直接獲得純數(shù)字的絕對(duì)位置值。然而，對(duì)于旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)必須進(jìn)行處理和計(jì)算，精細(xì)的計(jì)算也必須作為一個(gè)額外的成本考慮在內(nèi)。當(dāng)然，旋轉(zhuǎn)變壓器具有很好的魯棒性;海德漢的旋轉(zhuǎn)編碼器同樣也具有很好的加速性能。表1示出了幾種位置檢測(cè)器件的比較。
表1 幾種位置檢測(cè)器件的主要性能比較

周期性誤差對(duì)控制性能的影響

為了實(shí)現(xiàn)所需的高的分辨率，必須對(duì)掃描出來(lái)的正弦信號(hào)進(jìn)行細(xì)分。不充分的掃描、測(cè)量基體的污染以及信號(hào)處理的不完善都將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)偏離理想的正弦信號(hào)，這樣在細(xì)分時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的周期性誤差，因此一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的位置誤差也稱為細(xì)分誤差。在高質(zhì)量的編碼器上細(xì)分誤差通常是信號(hào)周期的1%至2%。

細(xì)分誤差會(huì)影響位置精度，同時(shí)也會(huì)非常明顯地降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性以及帶來(lái)噪音。速度控制器會(huì)根據(jù)誤差曲線計(jì)算電流來(lái)增加或減低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度。在低速時(shí)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給滯后于細(xì)分誤差。在加速時(shí)細(xì)分誤差的頻率也會(huì)增加。因?yàn)橹挥性诳刂葡到y(tǒng)的帶寬范圍以內(nèi)電機(jī)才能跟隨誤差的波動(dòng)，細(xì)分誤差對(duì)速度穩(wěn)定性的影響會(huì)隨著速度的增加而減少。然而，它對(duì)電機(jī)電流的擾動(dòng)繼續(xù)增加，在高增益的控制環(huán)系統(tǒng)中將給驅(qū)動(dòng)帶來(lái)很大的擾動(dòng)噪音。

伺服驅(qū)動(dòng)能達(dá)到的精度取決于測(cè)量誤差的幅值以及周期。因?yàn)樾D(zhuǎn)變壓器一轉(zhuǎn)只產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)周期，細(xì)分誤差就會(huì)有很大的影響:使用表1中的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)的帶寬設(shè)為100Hz，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)跟隨周期為編碼器一個(gè)信號(hào)周期的細(xì)分誤差，速度可達(dá)6000r/min。也就是說(shuō)在任何速度范圍內(nèi)都會(huì)有速度的波動(dòng)。

當(dāng)使用光電式旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)，只是在低速時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)才滯后于細(xì)分誤差。使用和上面同樣的例子，使用2048線的光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，當(dāng)速度在0至2.8 r/min時(shí)一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的細(xì)分誤差才會(huì)變得很明顯。由此而引起的位置誤差通常在6”以內(nèi)。

位置分辨率對(duì)速度控制的影響

應(yīng)用在伺服驅(qū)動(dòng)上的編碼器的分辨率和精度通常是變化的，所以可能實(shí)現(xiàn)的最小測(cè)量步距對(duì)控制環(huán)的影響需要密切關(guān)注。圖2所示的簡(jiǎn)化的控制環(huán)示意圖可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。只對(duì)速度控制環(huán)增益是線性的情況來(lái)分析有限的位置分辨率的主要影響。筆者忽略位置控制器和積分速度環(huán)，來(lái)分析下列參數(shù)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):

采樣間隔T: 100μs;
P-增益KPG : 600s-1;
電機(jī)慣量JM : 0.001kgm2;
恒定扭矩KKM: 0.68Nm/A;

根據(jù)這些參數(shù)，具有14位細(xì)分的旋轉(zhuǎn)變壓器的最小測(cè)量步距，會(huì)引起3.4A的電流波動(dòng)，也就意味著電機(jī)峰值電流的50%需要考慮進(jìn)來(lái)。而另一方面值得注意的是具有更小測(cè)量步距17位的感應(yīng)式編碼器只有400mA的電流波動(dòng)，25位的光電式旋轉(zhuǎn)編碼器電流的波動(dòng)更小，只有不到2mA,見(jiàn)圖4。

圖2 簡(jiǎn)化的控制環(huán)示意圖
模塊式設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)必須能夠在不同的精度要求時(shí)都能正常地工作。因?yàn)椴煌木纫鬀Q定了選擇那種編碼器技術(shù), 通用的安裝方式是通用模塊式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的先決條件。最理想的情況是:各種不同類型的編碼器—光電式、感應(yīng)式以及旋轉(zhuǎn)變壓器,不需要額外的轉(zhuǎn)接法蘭都能安裝在電機(jī)上。圖3所示的設(shè)計(jì)能滿足要求。值得一提的是海德漢編碼器(不管是光電式還是感應(yīng)式的)安裝要求是一樣的。

圖3 安裝方式

圖4 不同編碼器的電流波動(dòng)
a)旋轉(zhuǎn)變壓器(紅)
b)感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器(藍(lán))
c)光電式旋轉(zhuǎn)編碼器(綠)
表2 海德漢公司編碼器的主要參數(shù)


圖5 海德漢公司的編碼器外形
結(jié)語(yǔ)

與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)一樣，測(cè)量技術(shù)也是決定電氣驅(qū)動(dòng)性能的因素之一。機(jī)床各個(gè)軸的位置精度和速度穩(wěn)定性決定了工件和產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。這就需要位置編碼器能夠提供足夠數(shù)量的測(cè)量步數(shù)和好的信號(hào)質(zhì)量。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械方面的影響和編碼器的位置誤差都將引起速度穩(wěn)定性的不規(guī)則變化。如果測(cè)量信號(hào)的分辨率太低或者細(xì)分誤差太大，波浪狀的誤差就會(huì)出現(xiàn)在工件加工表面。在生產(chǎn)系統(tǒng)里面特定運(yùn)動(dòng)的速度穩(wěn)定性也可以看作與質(zhì)量有關(guān)的生產(chǎn)參數(shù)。

編碼器的分辨率和精度在很大程度上能提高電機(jī)的速度穩(wěn)定性，同時(shí)，也極大地減少了電機(jī)電流的波動(dòng)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪音小，產(chǎn)生的熱量也會(huì)很少。

理想的具有高細(xì)分倍數(shù)的輸出信號(hào)支持高的帶寬，也就是說(shuō)載荷的變化對(duì)旋轉(zhuǎn)速度的影響很小。

伺服驅(qū)動(dòng)用編碼器

海德漢公司提供的編碼器(見(jiàn)圖5)非常適合應(yīng)用在自動(dòng)化領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及車床的驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，如表2所示。其顯著的特點(diǎn)是:小的總體誤差、高扭轉(zhuǎn)剛性的聯(lián)軸器以及高的細(xì)分倍數(shù)。EnDat接口便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化。它不僅能夠傳輸絕對(duì)位置值，而且能夠同時(shí)傳輸附加信息。如:溫度、診斷數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)，同時(shí)還有供自動(dòng)識(shí)別的參數(shù)等，能夠給用戶帶來(lái)下面的便利：