伺服編碼器有何特點(diǎn)？如何連接呢？

EnDat

EnDat（Encoder Data）指變頻器通過時(shí)鐘信號來實(shí)現(xiàn)同步傳輸串口通信，不但可以傳送位置值，也可以傳送參數(shù)值。在編碼器的內(nèi)部有專門的存儲區(qū)來存放編碼器參數(shù)，制造商可以利用此存儲區(qū)來存放編碼器的參數(shù)。上位機(jī)可以發(fā)送控制字給編碼器。EnDat編碼器有以下特點(diǎn)：

①可以讀取實(shí)際位置；

②電機(jī)通信過程中實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)補(bǔ)償；

③并行輸出增量信號，可以減小對動態(tài)特性要求較高的系統(tǒng)的延遲時(shí)間；

④數(shù)據(jù)傳輸可靠性高；

⑤存儲編碼器參數(shù)，控制器可以自動讀取編碼器參數(shù)，下圖所示為在Starter軟件中的設(shè)定；

⑥支持監(jiān)控與診斷功能；

⑦傳輸時(shí)間短

Starter中組態(tài)電機(jī)時(shí)編碼自動識別示例

SSI

當(dāng)多圈編碼器檢測4096轉(zhuǎn)（12位）而每轉(zhuǎn)又有8092個數(shù)據(jù)（13位）時(shí)，按照正常邏輯需要25個碼道，如此多的碼道傳輸需要25根電纜，為了克服多電纜傳輸?shù)谋锥?，需?strong>SSI（Synchronous-Serial Interface EIARS-422A or RS-485）通過串口來實(shí)現(xiàn)通信，僅需要4根電纜即可以傳輸所有數(shù)據(jù)。更少的電纜數(shù)擴(kuò)展了編碼器信號的傳輸距離。數(shù)據(jù)的傳輸格式或者是二進(jìn)制或者是格雷碼，靠SSI控制器的時(shí)鐘來控制觸發(fā)，不但可以輸出絕對位置，還可以輸出增量信號數(shù)據(jù)（最高脈沖數(shù)可達(dá)512）。

如果驅(qū)動SSI編碼器，要求上位機(jī)對接收到的信號進(jìn)行計(jì)算，如下圖所示。

SSI計(jì)算軟件

在Sinamics S120的控制單元中，也具有SSI的接收編程軟件，如下圖所示。

S120中的編碼器接收功能圖

除了SSI接口的編碼器，西門子公司及其他公司都提供了帶Profibus-DP接口的編碼器，可以同控制器通過DP方式傳輸數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)的速率以及編碼器的地址文件要參考相應(yīng)編碼器的profile文件。

正/余弦編碼器

與脈沖編碼器相同，正弦編碼器通常有A、B兩個信號輸出通道，它的特點(diǎn)在于能夠?qū)⒚恳粋€正/余弦波形進(jìn)一步細(xì)化。細(xì)化是根據(jù)正弦的電壓值來進(jìn)行計(jì)算的，這樣能夠增強(qiáng)編碼器的分辨率，如下圖所示。

A、B:0.6～1.2V（峰峰值）

～1V（峰峰值）：指正弦增量編碼器信號的幅值為1V，信號尖峰到參考點(diǎn)的電壓值約為0.5V，如下圖所示。

正弦編碼器分割

轉(zhuǎn)換碼道：通常在選擇編碼器時(shí)在A/BR后面還會發(fā)現(xiàn)標(biāo)有C/D的字符，這是正弦編碼器的兩個輔助的正/余弦碼道，用來提供1轉(zhuǎn)內(nèi)的絕對位置，同時(shí)為驅(qū)動器提供了電機(jī)的磁極位置，以實(shí)現(xiàn)更精確的控制，也就是前面提到的混合式編碼器，如下圖所示。

正弦編碼器的C/D通道

另外，正/余弦編碼器的模擬通道也可以與串口通道同時(shí)并存，如下圖所示。

帶數(shù)據(jù)通道的正/余弦編碼器

可以說，正/余弦編碼器是增量式與絕對值編碼器的結(jié)合。其中絕對位置采用串口通信的方式傳輸，而正/余弦信號仍采用模擬信號傳輸，因?yàn)槟M信號傳輸要求的頻率帶寬比較窄，容易實(shí)現(xiàn)，可以在高速的情況下保證長距離傳輸。

編碼器的相位調(diào)整

在對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制的過程中，必須要知道同步電機(jī)的磁極位置，包括增量式編碼器、絕對值編碼器、正/余弦編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。很多情況下編碼器都是集成到電機(jī)內(nèi)部的，所以在安裝編碼器時(shí)就要注意編碼器相位的調(diào)整，實(shí)際上就是要保證編碼器的零脈沖與磁極的方向保持一致。

對于輸出信號為方波信號的增量式編碼器，除了兩相正交方波脈沖輸出信號A和B及零位信號Z外，還具備互差120°的電子換相信號U、V、W,U、V、W各自的每轉(zhuǎn)周期數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)一致。帶換相信號的增量式編碼器的U、V、W信號的相位與轉(zhuǎn)子磁極相位的對齊方法如下：

①用一個直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機(jī)軸定向至一個平衡位置；

②用示波器觀察編碼器的U信號和Z信號；

③調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

④一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器U信號跳變沿和Z信號，直到Z信號穩(wěn)定在高電平上（在此默認(rèn)Z信號的常態(tài)為低電平），鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

⑤來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，手移開后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，Z信號都能穩(wěn)定在高電平上，則對齊有效。

對于帶有C、D通道的編碼器，除了具備上述正交的正、余弦信號外，還具備一對一圈只出現(xiàn)一個信號周期的相互正交的1V（峰峰值）的正弦型C、D信號，如果以C信號為正弦波，則D信號為余弦波。此外，帶C、D信號的正/余弦編碼器的C、D信號經(jīng)過細(xì)分后，還可以提供較高的每轉(zhuǎn)絕對位置信息，比如每轉(zhuǎn)2048個絕對位置，因此帶C、D信號的正/余弦編碼器可以視作一種模擬式的單圈絕對值編碼器。這種編碼器的極點(diǎn)對齊方式如下：

①用一個直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機(jī)軸定向至一個平衡位置；

②用示波器觀察正/余弦編碼器的C信號波形；

③調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

④一邊調(diào)整，一邊觀察C信號波形，直到由低到高的過零點(diǎn)準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機(jī)軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

⑤來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，手移開后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，過零點(diǎn)都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。

對于沒有C、D通道的編碼器，可以讀取磁極位置處編碼器實(shí)際反饋的位置值，然后將此值寫到編碼器內(nèi)部的存儲器中，如帶EnDat模式的絕對值編碼器中。

對于旋轉(zhuǎn)編碼器，有正弦和余弦兩組線圈（相差90°），在轉(zhuǎn)子感應(yīng)高頻信號的同時(shí)隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)并在定子上感應(yīng)出正弦和余弦信號。根據(jù)正弦和余弦波形可以算出α角度，從而確定轉(zhuǎn)子的位置，如下圖所示。

旋轉(zhuǎn)變壓器磁極位置對齊

調(diào)整方法：示波器的一個通道連接旋變的定子電壓信號，另一個通道連接編碼器位置信號，用其他裝置帶動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，調(diào)整編碼器位置使其處于定子電壓的零點(diǎn)。另外，可以通過驗(yàn)證旋變的正弦信號包絡(luò)過零點(diǎn)與電機(jī)的UV線反電動勢波形由低到高的過零點(diǎn)重合的方式來對齊。

編碼器的倍頻

編碼器的脈沖數(shù)決定著位置控制與速度控制的精度，對于2048脈沖的編碼器，在不倍頻的情況下，每個脈沖對應(yīng)的精度為0.175°，因此，用此編碼器回饋的位置精度肯定要大于0.175°，很難實(shí)現(xiàn)精確定位?？刂凭纫蠛芨?、反應(yīng)速度要求很快的精密儀器伺服系統(tǒng)，編碼器的分辨率要求更高。

不管編碼器的信號是正弦信號，還是脈沖信號，都可以對此信號進(jìn)一步細(xì)分，也就是倍頻。倍頻是通過編碼器信號的接收裝置將編碼器的每個脈沖進(jìn)一步細(xì)分，通過正、余弦信號的高倍率細(xì)分技術(shù)，可以使正/余弦編碼器獲得比原始信號周期更為細(xì)密的名義檢測分辨率，比如2048線的正/余弦編碼器經(jīng)2048細(xì)分后，就可以達(dá)到每轉(zhuǎn)400多萬線的名義檢測分辨率。當(dāng)前很多歐美伺服廠家都提供這類高分辨率的伺服系統(tǒng)，而國內(nèi)廠家尚不多見。

對于細(xì)分來說，也存在著誤差。細(xì)分的誤差不但影響電機(jī)的定位精度，還會給電機(jī)帶來高頻的噪聲信號。例如，在約翰內(nèi)斯·海德漢撰寫的《滿足伺服驅(qū)動高動態(tài)性能的旋轉(zhuǎn)編碼器》一文中就對細(xì)分誤差影響作了進(jìn)一步的分析。

編碼器的特征參數(shù)

通常情況下，編碼器的特征參數(shù)包括分辨率、最高支持轉(zhuǎn)速、精度、操作電壓。增量式編碼器的參數(shù)有最大掃描頻率，絕對值編碼器還有傳輸速率、通信位數(shù)。增量式編碼器特征參數(shù)如下表所示。

增量式編碼器特征參數(shù)

絕對值編碼器特征參數(shù)如下表所示。

帶通信的絕對值編碼器特征參數(shù)

幾種類型編碼器特性如下圖所示。

幾種類型編碼器特性

驅(qū)動器與編碼器的連接

（1）Sinamics S120

S120是西門子新一代驅(qū)動產(chǎn)品，既可以驅(qū)動伺服軸又可以驅(qū)動矢量軸。當(dāng)驅(qū)動矢量軸時(shí)，對于DC/AC設(shè)備，可以通過SMC30來連接TTL/HTL以及SSI接口編碼器來接收；對于AC/AC設(shè)備，有專門的脈沖編碼器接口X23來接收編碼器信號。當(dāng)用于伺服控制時(shí)，可以接的編碼器類型有旋轉(zhuǎn)變壓器、增量式（正/余弦）編碼器以及絕對值編碼器。

S120的控制單元CU320可以同其他模塊實(shí)現(xiàn)Drive-CLiQ通信，可以從西門子生產(chǎn)的帶Drive-CLiQ接口的電機(jī)直接讀取數(shù)據(jù)，如下圖所示。

帶Drive-CLiQ接口的電機(jī)連接圖

對于沒有Dirve-CLiQ接口的編碼器，驅(qū)動器可以通過接口模塊SMC來接收編碼器信號，如下圖所示。

3種編碼器適配器SMC

補(bǔ)充：Sinamics G150變頻器可以通過SMC30來連接編碼器，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。連接方法如下圖所示。

不帶Drive-CLiQ接口的電機(jī)連接圖

另外，不是集成在電機(jī)內(nèi)的編碼器可以通過SME接口模塊來接收，下圖是3種SME接口的示意圖。

編碼器接收適配器SME

外接編碼器接口的電機(jī)連接圖如下圖所示。

外接編碼器接口的電機(jī)連接圖

2）編碼器組態(tài)

在西門子電機(jī)內(nèi)部集成了編碼器的情況下，集成了Drive-CLiQ接口的電機(jī)靠預(yù)埋在電機(jī)內(nèi)部的芯片存儲電機(jī)與編碼器數(shù)據(jù)，因此，在組態(tài)的過程中只需選擇通過Drive-CLiQ讀取。下圖所示為Starter中的電機(jī)組態(tài)。

Starter中的電機(jī)組態(tài)

對于內(nèi)部沒有集成Drive-CLiQ接口的電機(jī)，在選定電機(jī)后，還要根據(jù)電機(jī)訂貨號選擇相應(yīng)的編碼器。下圖所示為Starter中的編碼器組態(tài)。

Starter中的編碼器組態(tài)

對于內(nèi)部不集成編碼器或者非西門子電機(jī)，則需要單獨(dú)設(shè)定編碼器的數(shù)據(jù)。下圖所示為Starter中的第三方編碼器組態(tài)。

Starter中的第三方編碼器組態(tài)

除了旋轉(zhuǎn)編碼器，S120可以接收直線編碼器的信號，通常與直線電機(jī)配合使用。直線編碼器也有絕對值與增量式之分，參數(shù)設(shè)置同旋轉(zhuǎn)編碼器類似。

（3）帶有Profibus-DP接口的編碼器

除了常規(guī)接口編碼器，西門子還為用戶提供了帶有Profibus-DP接口的編碼器，即集成了脈沖接收處理回路的編碼器。這種編碼器可以通過從站的方式與Profibus-DP的主站進(jìn)行通信。這時(shí)編碼器作為一個標(biāo)準(zhǔn)的從站，與主站通過報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。硬件組態(tài)如下圖所示。

編碼器作為從站的硬件組態(tài)

審核編輯：劉清