可控的伺服驅動技術在自動化領域有著廣泛的應用，例如機器人、裝卸系統以及生產型機床和機床工具等驅動的應用。為了增大控制環的增益需要充分考慮系統的動態性能、速度的穩定性及系統的剛性。位置編碼器的選用是影響驅動控制性能好壞的一個非常重要的因素。特別是位置的分辨率及一個信號周期內的位置誤差對系統性能影響非常明顯。

選用那種編碼器技術完全取決于相關應用的精度要求。在電機上靈活的安裝方式以及和控制系統統一的數據接口方式使得集成各種不同的編碼器技術成為可能，便于實現驅動系統的模塊化。

伺服驅動用位置編碼器

編碼器通常用來做伺服驅動的速度反饋。圖1示出了其外貌。

圖1 編碼器外貌

通常電機轉動一圈，旋轉變壓器輸出一個信號周期。因此，位置分辨率非常有限，位置值完全取決于一圈內的信號。感應式旋轉編碼器每轉有32或16個位置值，因此，可以實現更高的位置分辨率。角度位置是絕對位置值。光學式旋轉編碼器刻度盤上刻有512～2028個信號周期的精細刻線，因此它的分辨率更高。多圈感應式和光學式旋轉編碼器能夠記錄4096圈以內的任一個絕對位置值。

海德漢公司的感應式和光電式編碼器通過內部計算獲得絕對式位置值，并通過可靠的 EnDat2.2 雙向數據接口和控制器交換數據。控制器不需要額外的計算就可以直接獲得純數字的絕對位置值。然而，對于旋轉變壓器輸出的模擬信號必須進行處理和計算，精細的計算也必須作為一個額外的成本考慮在內。當然，旋轉變壓器具有很好的魯棒性;海德漢的旋轉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器件的比較。

表1 幾種位置檢測器件的主要性能比較

周期性誤差對控制性能的影響

為了實現所需的高的分辨率，必須對掃描出來的正弦信號進行細分。不充分的掃描、測量基體的污染以及信號處理的不完善都將會導致信號偏離理想的正弦信號，這樣在細分時就會產生一個信號周期內的周期性誤差，因此一個信號周期內的位置誤差也稱為細分誤差。在高質量的編碼器上細分誤差通常是信號周期的1%至2%。

細分誤差會影響位置精度，同時也會非常明顯地降低驅動系統的速度穩定性以及帶來噪音。速度控制器會根據誤差曲線計算電流來增加或減低驅動系統的速度。在低速時驅動的進給滯后于細分誤差。在加速時細分誤差的頻率也會增加。因為只有在控制系統的帶寬范圍以內電機才能跟隨誤差的波動，細分誤差對速度穩定性的影響會隨著速度的增加而減少。然而，它對電機電流的擾動繼續增加，在高增益的控制環系統中將給驅動帶來很大的擾動噪音。

伺服驅動能達到的精度取決于測量誤差的幅值以及周期。因為旋轉變壓器一轉只產生一個信號周期，細分誤差就會有很大的影響:使用表1中的數據，控制系統的帶寬設為100Hz，驅動系統跟隨周期為編碼器一個信號周期的細分誤差，速度可達6000r/min。也就是說在任何速度范圍內都會有速度的波動。

當使用光電式旋轉編碼器時，只是在低速時驅動系統才滯后于細分誤差。使用和上面同樣的例子，使用2048線的光電式旋轉編碼器，當速度在0至2.8 r/min時一個信號周期內的細分誤差才會變得很明顯。由此而引起的位置誤差通常在6”以內。

位置分辨率對速度控制的影響

應用在伺服驅動上的編碼器的分辨率和精度通常是變化的，所以可能實現的最小測量步距對控制環的影響需要密切關注。圖2所示的簡化的控制環示意圖可以說明這個問題。只對速度控制環增益是線性的情況來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，來分析下列參數的驅動系統:

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

根據這些參數，具有14位細分的旋轉變壓器的最小測量步距，會引起3.4A的電流波動，也就意味著電機峰值電流的50%需要考慮進來。而另一方面值得注意的是具有更小測量步距17位的感應式編碼器只有400mA的電流波動，25位的光電式旋轉編碼器電流的波動更小，只有不到2mA,見圖4。

圖2 簡化的控制環示意圖

模塊式設計

伺服驅動必須能夠在不同的精度要求時都能正常地工作。因為不同的精度要求決定了選擇那種編碼器技術, 通用的安裝方式是通用模塊式驅動系統的先決條件。最理想的情況是:各種不同類型的編碼器—光電式、感應式以及旋轉變壓器,不需要額外的轉接法蘭都能安裝在電機上。圖3所示的設計能滿足要求。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

a)旋轉變壓器(紅)
b)感應式旋轉編碼器(藍)
c)光電式旋轉編碼器(綠)

表2 海德漢公司編碼器的主要參數

圖5 海德漢公司的編碼器外形

結語

與控制系統設計和結構一樣，測量技術也是決定電氣驅動性能的因素之一。機床各個軸的位置精度和速度穩定性決定了工件和產品質量的好壞。這就需要位置編碼器能夠提供足夠數量的測量步數和好的信號質量。

驅動系統的機械方面的影響和編碼器的位置誤差都將引起速度穩定性的不規則變化。如果測量信號的分辨率太低或者細分誤差太大，波浪狀的誤差就會出現在工件加工表面。在生產系統里面特定運動的速度穩定性也可以看作與質量有關的生產參數。

編碼器的分辨率和精度在很大程度上能提高電機的速度穩定性，同時，也極大地減少了電機電流的波動。電機運轉時噪音小，產生的熱量也會很少。

理想的具有高細分倍數的輸出信號支持高的帶寬，也就是說載荷的變化對旋轉速度的影響很小。

伺服驅動用編碼器

海德漢公司提供的編碼器(見圖5)非常適合應用在自動化領域的驅動電機及車床的驅動電機上，如表2所示。其顯著的特點是:小的總體誤差、高扭轉剛性的聯軸器以及高的細分倍數。EnDat接口便于實現系統的模塊化。它不僅能夠傳輸絕對位置值，而且能夠同時傳輸附加信息。如:溫度、診斷數據、測試數據，同時還有供自動識別的參數等，能夠給用戶帶來下面的便利：

數字化的位置值傳輸提高了傳輸的可靠性;
EnDat接口支持驅動系統自學習，減少了可能因維修而停機的時間;
EnDat接口的電纜簡單、成本低，這將大大簡化工程項目的機械設備和成本。