電機(jī)閉環(huán)控制中的編碼器二三事

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在談?wù)?a target="_blank">電機(jī)的時(shí)候控制是繞不開(kāi)的話(huà)題，大致上對(duì)控制來(lái)進(jìn)行分類(lèi)有開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。閉環(huán)控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環(huán)進(jìn)而參與控制的控制方式。

以往將變頻電壓施加于逆變器采用脈沖寬度調(diào)制的電機(jī)，可以很輕松地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的開(kāi)環(huán)速度控制。在很多較低性能應(yīng)用中，許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都采用開(kāi)環(huán)速度控制，這不需要編碼器。隨著電機(jī)向更高效率、更低能耗、更精準(zhǔn)控制演變，編碼器與電機(jī)越來(lái)越深地捆綁在一起。

閉環(huán)電機(jī)控制與位置編碼器

不使用編碼器的開(kāi)環(huán)控制，有幾個(gè)明顯的弱點(diǎn)。由于沒(méi)有反饋，電機(jī)能達(dá)到的速度精度很有限；由于不能優(yōu)化電流控制，電機(jī)效率很難做得很高；必須嚴(yán)格限制瞬態(tài)響應(yīng)，否則電機(jī)會(huì)丟步。因此很多電機(jī)應(yīng)用都不再使用開(kāi)環(huán)控制。比如以前大量使用開(kāi)環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)，現(xiàn)在也能做閉環(huán)控制。

閉環(huán)的電機(jī)控制通過(guò)提高電機(jī)和終端設(shè)備的使用效率，不僅實(shí)現(xiàn)了提高了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能可以改善要求嚴(yán)苛應(yīng)用的質(zhì)量和同步功能，還能節(jié)省大量能源。整個(gè)閉環(huán)電機(jī)控制反饋系統(tǒng)上功率級(jí)的功率逆變器、高性能位置檢測(cè)以及電流/電壓閉環(huán)反饋相互配合，電機(jī)性能和效率得以提高。

作為伺服系統(tǒng)中最關(guān)鍵的零部件之一，編碼器一直以來(lái)扮演著能夠決定伺服系統(tǒng)上限的重要角色。編碼器通過(guò)跟蹤旋轉(zhuǎn)軸的速度和位置來(lái)提供閉環(huán)反饋信號(hào)，其中光學(xué)和磁編碼器技術(shù)使用都非常廣泛。在通用伺服驅(qū)動(dòng)器中，編碼器用于測(cè)量軸位置，根據(jù)編碼器提供的數(shù)據(jù)從中可推導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速。

光學(xué)編碼器由帶有精細(xì)光刻槽的碼道和碼盤(pán)組成。當(dāng)光穿過(guò)圓盤(pán)或從圓盤(pán)反射時(shí)，光電二極管傳感器檢測(cè)光的變化。光電二極管的模擬輸出經(jīng)過(guò)放大和數(shù)字化處理后反饋給控制器。磁編碼器則是由安裝在電機(jī)軸上的磁傳感器，傳感器提供正弦和余弦模擬輸出，輸出經(jīng)過(guò)放大和數(shù)字化處理用于控制。

編碼器關(guān)鍵性能指標(biāo)

不管使用光電還是磁編碼來(lái)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)或者直線(xiàn)位移，編碼器都可以用增量式和絕對(duì)值式加以區(qū)分。二者的結(jié)構(gòu)和輸出信號(hào)完全不同。概括來(lái)說(shuō)，增量信號(hào)不表示特定位置，只表示位置已更改，絕對(duì)信號(hào)既能表示位置的已更改也能提供絕對(duì)位置指示。

不論是絕對(duì)還是增量，都有幾個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。首先就是分辨率，編碼器的分辨率是指電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)360°時(shí)可以區(qū)分的位置數(shù)量。目前最高分辨率的編碼器需要使用光學(xué)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而中高分辨率編碼器磁或光學(xué)都可以，中低分辨率編碼器則使用旋變器或霍爾傳感器，編碼器分辨率越高越適合高精度的閉環(huán)控制。

當(dāng)然這是僅僅從編碼器的角度來(lái)說(shuō)判斷其分辨率和不同精度閉環(huán)控制的對(duì)應(yīng)關(guān)系。并沒(méi)有結(jié)合其他控制硬件、算法等因素。目前有很多應(yīng)用不適用光編碼，也能實(shí)現(xiàn)很高精度的閉環(huán)控制。

此外，編碼器可以用來(lái)進(jìn)行位置和速度反饋，這兩者參考的編碼器精度是不一樣的。對(duì)于位置控制而言，需要著重于絕對(duì)精度，確保每一圈每一個(gè)位置輸出的唯一信號(hào)與實(shí)際位置沒(méi)有偏差。而速度控制更依賴(lài)于差分精度。

還有一個(gè)少有提及的指標(biāo)，叫可重復(fù)性，即編碼器返回到同一指令位置的一致性。很多閉環(huán)控制應(yīng)用，設(shè)備需要做大量重復(fù)的任務(wù)，在多次重復(fù)后編碼器會(huì)不會(huì)出現(xiàn)偏差也是一個(gè)很重要的指標(biāo)。

小結(jié)

編碼器的選擇還是取決于應(yīng)用場(chǎng)合和運(yùn)動(dòng)類(lèi)型，在分辨率匹配的情況下針對(duì)位置控制、速度控制選擇合適的精度。現(xiàn)在的編碼器尤其是磁編碼芯片，ASIC級(jí)整體解決方案和專(zhuān)用的感應(yīng)芯片和解碼芯片都匹配的非常好，為電機(jī)閉環(huán)控制提供了不少助力。