探析工業(yè)以太網(wǎng)總線式多圈絕對值編碼器

最近幾年國內(nèi)市場小型伺服電機發(fā)展迅猛，現(xiàn)有伺服電機市場更多的關注在體積小而薄，分辨率高而價格低的編碼器上，對于“絕對值編碼器”的理解，也是僅停留在能“停電記憶”的“絕對值”其中的一個功能上。并且我注意到，即使連海德漢在會場一起展示的總線式多圈絕對值編碼器，也因為體積大而幾乎無人問津。這說明運動控制市場對編碼器的認知理解是有不同的角度。

我一直在做編碼器應用的服務與推廣、編碼器的研發(fā)與制造的角度，在此次會上從另外一個角度作了30分鐘的演講。下面是本次演講其中的一部分，由于30分鐘時間有限，在大會上有些預先準備的內(nèi)容拿掉了，有些沒有時間展開說明，在下面也有機會可以再補充。以供運動控制的工程師們參考與討論。

一，運動控制產(chǎn)品對編碼器的基本要求

1，運動控制的基本目標：

高精度加工，高速響應加工，多軸同步協(xié)作的加工，有可靠性高效的加工。

2，運動控制基本目標對應的編碼器基本要求是：

高精度、高速響應，準確性、高效性，可靠性、安全性。

還要便宜。

3，高分辨率？只是為了位置環(huán)和速度環(huán)的高精度和高速響應的一個手段。但是，超細分的高分辨率其實已經(jīng)偏離了對精度的基本要求，依賴算法補償已經(jīng)偏離了高速響應基本要求。由于有傳動減速機的掩護，大量做小型伺服電機的工程師們還不能明顯看出這里面的問題。

4，停電記憶？只是為了高效，無需開機找零位的一個手段。但是如果是依賴計數(shù)器的計圈，尤其是停電后的微功耗管理下的計數(shù)圈數(shù)，仍然存在計數(shù)錯誤無法判斷的可能性，偏離了運動控制可靠性與安全的基本要求。由于很多是小型伺服電機，這種可靠性與安全性帶來的隱患還不是很突出。在風力發(fā)電這種大型設備上，已經(jīng)大量換下了電子多圈編碼器，這樣的問題并沒有引起運動控制工程師們的注意。

5，“能用就行，能用最經(jīng)濟的方式做出產(chǎn)品，或者做一件事，是展示工程師的本事?！边@樣的觀念，在國內(nèi)工控行業(yè)很突出。但是這種思維方式很不工業(yè)，很不“工程”，那是“農(nóng)民與作坊式”思維，要憑一點點經(jīng)驗靠一點點運氣。工業(yè)化的思維是需要有標準化、可流程化，可知與可控及容錯性，減少甚至消滅制造過程中產(chǎn)品使用的不確定性，才能夠可復制，保證大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。我在本次大會上再次提出了運動控制創(chuàng)新產(chǎn)品18個月反饋周期的觀點。

二，運動控制不可忽視的相關性

1,運動控制-伺服運動是動態(tài)的，不是靜態(tài)的。

不能以靜態(tài)的測試方法得到的編碼器精度與分辨率，去理解伺服編碼器的應用。如果是依賴于過度補償與算法的某些編碼器參數(shù)，在伺服電機動態(tài)時會怎么樣？在伺服電機長期使用后，及使用中溫度提升之后會怎么樣？

2,運動控制，應包含電機與傳動部分，應包含工藝輸出端負載的變化與意外，減少不確定。

如果用直驅(qū)電機，當然就可以消除傳動部分帶來的困惑，但是直驅(qū)電機對輸出端負載變化的敏感性，其要做到可知與可控難度更大。由于沒有傳動部分的掩護與杠桿作用，直驅(qū)電機輸出的力矩大電流大，力矩加速度環(huán)控制難度較大，對于編碼器的精度要求更高。

3,運動控制，應包含電機-傳動與其他的電機-傳動的位置、速度關系，減少不確定。

當多個電機在一起控制的時候，很多單個電機容易解決的問題，到了多個電機控制都要推翻重新來過，現(xiàn)有的同步控制器大部分是指令發(fā)出同步，反饋來至單個驅(qū)動器，還不是多電機大系統(tǒng)的閉環(huán)。

4，我的參考意見，是在傳動軸上加裝絕對值多圈編碼器。

當然是要能夠在傳動部分加裝編碼器，要求是加裝機械齒輪箱式的絕對值多圈編碼器，后面再展開理由。

直驅(qū)電機不需要再加裝編碼器，但要選擇高精度的伺服電機編碼器，注意不只是編碼器高分辨率，是編碼器的高精度！編碼器的高精度對于直驅(qū)電機的電流環(huán)極為重要，我在公眾號介紹電梯編碼器ERN1387文中已有講解，可以回過頭去看。

三，運動控制中同步控制的根本性問題

同步控制的根本，是多軸統(tǒng)一約定與反饋比較：

1，什么時候，各軸都能到達哪里，各軸響應度如何？

2，統(tǒng)一對表（時鐘同步、TSN），統(tǒng)一對地圖（零點對齊，絕對值唯一性編碼）。

3，多軸同步控制不可忽視傳動機械與負載可能的不同與變化。

4，由于是多軸在一起的控制，務必減少每一個軸上的不確定性。當在單軸上的不確定性是小概率事件，而在多軸同步控制時就會成為大概率事件。

四，有簡單三句話建議收藏

由于前面說的“伺服是動態(tài)”的，在運動控制需要工業(yè)化思維的“可知、可控、可重復與可靠性”，那么下面三句話也許對運動控制就會很重要：

1，可以走硬件的永遠比走軟件算法快，并且可靠。

2，并行算法總是比串行算法快，并且可靠。走硬件解決是“并行算法”思維。

3，編碼器的精度是硬件的，通過細分獲得的高分辨率是“串行算法”的；全行程絕對值編碼是“硬件”的“并行思維”，通過計數(shù)器累加增量的方式并記憶的是“串行思維”的。

在工業(yè)中，要做到減少不確定性，是要有準確性的高速，才是最高效，最可靠的，也就是最經(jīng)濟的。

五，絕對值多圈編碼器的核心問題，是可靠性。

工業(yè)以太網(wǎng)的核心問題，是又多又快地容錯性。

絕對值唯一性編碼的容錯性給運動控制帶來的好處。

在傳動輸出軸上加裝工業(yè)以太網(wǎng)絕對值多圈編碼器，同步問題、高效與可靠性問題可以簡單化。每一傳動軸上可以獲得絕對值坐標位置，無不確定性，可準確定位，無需找零，容錯性效率高。絕對值坐標中與其他運動軸的相互位置關系確定，可很容易實現(xiàn)多軸同步、聯(lián)動。

全行程絕對值編碼的機械齒輪箱絕對值多圈編碼器，它的核心就是可靠性，唯一性編碼，在使用中首次調(diào)試對齊零位后，就不應該再有錯碼再有零點位置跑丟。由于裝在傳動后的輸出工藝端，它的精度與響應直接對應加工精度與響應，它與其它軸之間的關系也很簡單，大家在首次零點對齊后，各軸的絕對值坐標就是確定的，不受傳動誤差、傳動機械磨損、加工工藝端負載的變化的不確定性的影響。各軸的位置關系僅僅與其運動控制有關，這是真實的多軸同步控制系統(tǒng)大閉環(huán)。

在以多軸運動控制的思考中，應盡量避免各單軸的不確定性，已經(jīng)沒有時間去驗證編碼器反饋數(shù)據(jù)是否有錯，是否需要等單個哪一軸去找一下零位。在多個運動軸控制中，只要有一個軸數(shù)據(jù)出錯，或者無法判斷是否出錯，都將帶來整個系統(tǒng)的混亂、停機，甚至事故。因此，我一再堅持的電子多圈是以計數(shù)器計數(shù)多圈的，尤其是在停電狀態(tài)下的微功耗計數(shù)圈數(shù)，其存在的不確定性。既然要用絕對值多圈編碼器的功能，就不可忽視絕對值多圈編碼器的核心問題，是容錯性可靠性，編碼原理上不可有不確定性。

工業(yè)以太網(wǎng)絕對值多圈編碼器

工業(yè)以太網(wǎng)，是以互聯(lián)網(wǎng)硬件以太網(wǎng)基礎上實現(xiàn)工業(yè)多數(shù)據(jù)的傳輸。因互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，獲益于滿足社會需求的低成本與普惠性，其大規(guī)模化成功應用帶來的好處，是多點數(shù)據(jù)連接同時在線傳輸?shù)挠布杀镜停夹g成熟。工業(yè)以太網(wǎng)既要傳承互聯(lián)網(wǎng)硬件成功“普惠性技術成熟”的秘訣，又要兼顧工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸?，對于機器類數(shù)據(jù)不確定性錯誤的識別與容錯，糾錯。

? Profinet，PI協(xié)會及德國西門子主導的工業(yè)以太網(wǎng)，實時工業(yè)以太網(wǎng)， RT（實時）通訊協(xié)定是針對PROFINETCBA及PROFINET IO的應用，其反應時間小于10ms。IRT（等時實時）通訊協(xié)定是針對驅(qū)動系統(tǒng)的PROFINETIO通訊，其反應時間小于1ms。在運動控制應用中，周期小于32us

? Ethercat，ETG協(xié)會及德國倍福主導的工業(yè)以太網(wǎng)，基于以太網(wǎng)物理基礎的分布式總線技術，周期時間短，優(yōu)于32us。提供分散式時鐘機制，同步時鐘找回。

? 以太網(wǎng)更快，可連接更多設備，傳輸更大的數(shù)據(jù)量。

? 工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，既是工業(yè)自動化需要，又是向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

六，工業(yè)以太網(wǎng)絕對值多圈編碼器，在多運動軸同步控制中突出的優(yōu)勢

在傳動軸上加裝工業(yè)以太網(wǎng)絕對值多圈編碼器，在同步控制中帶來了明顯的優(yōu)勢：

1，每一個運動軸，在調(diào)試初始化零點對齊后，絕對值坐標不再改變，是幾乎永久性可確定的，每個軸與其他軸的位置關系，在絕對值坐標上是幾乎永久性可確定的。

2，用工業(yè)以太網(wǎng)將所有傳動軸上的絕對值編碼器高速聯(lián)網(wǎng)，時鐘同步找回時間同步點，所有外掛的絕對值多圈編碼器可視在同一個“同時”對齊的絕對值位置坐標上。

3，以此絕對值位置坐標，虛擬一個移動軸，所有運動軸與此虛擬移動軸跟隨，同步跟隨。這是并行算法思維。

4，調(diào)試中找到響應度最慢的那個軸，虛擬軸以照顧那個最慢的軸，或者稱為“主軸”，其他所有運動軸與虛擬運動軸跟隨同步，相當于跟隨“主軸”同步。

5，由于以太網(wǎng)的快速及同步時鐘的找回，所有運動軸的同步計算相當于是并行的，與傳動誤差與磨損無關，與負載不同負載變化無關，不確定性最小。運動同步控制算法簡單，項目成功性高。

6，調(diào)試時有絕對值位置坐標可做參考，可做記錄，調(diào)試成功后不再改變。調(diào)試人工低，不需要返回再調(diào)試的人工低，可靠性安全性高。減少了不確定性，最終是大大節(jié)省項目成本與用戶使用成本的。

運動控制的多軸同步控制，如果機械上有條件，就在傳動軸上加裝工業(yè)以太網(wǎng)絕對值多圈編碼器（必須是機械齒輪箱式的，不然就顯得多此一舉了），猶如你打游戲過關時加了“外掛”了 ，多開了一個“天眼”，將前面要做的事看得清清楚楚，輕松過關。

這就叫“升維思考，降維打擊”。游戲術語

我不打游戲，我只是研究過史玉柱做游戲成功的秘訣——做游戲免費，賣裝備賺錢。不舍得買好裝備的打游戲者，很難成為游戲高手，是去送分的。你要把裝備做好了，去成就你的客戶，你就有機會賺錢。這個被發(fā)現(xiàn)的秘密分享給大家。

傳動軸上加裝編碼器的選擇，注意問清楚必須是機械齒輪箱式絕對值多圈編碼器，這是我們的用戶提到的，在國產(chǎn)寶馬汽車生產(chǎn)線上與德國工程師合作，德國工程師特意關照的要求。沒有電池，沒有韋根。