伺服驱动控制环中的编码器.doc

伺服驱动控制环中的编码器伺服驱动常常配备有用作位置和速度控制的编码器或旋转变压器。对低成本、多转,而且和旋转变压器一样皮实的绝对式编码器的需求在不断增加。除此之外,如何简单快捷地通过串行接口将编码器和控制器相联接也是重要议题。采用感应式扫描原理,拥有多转分辨率和双向EnDat通讯协议的编码器填补了旋转变压器和光学编码器之间的空隙。 除了编码器的各项技术参数外,编码器的信号质量对驱动的性能有着决定性的影响。有限的分辨率和周期性测量误差会对伺服驱动的精度和运转平顺度有直接的影响。下面对不同编码器技术对伺服驱动控制环的影响做进一步的分析。 伺服驱动用测量系统 采用光学扫描原理的编码器的核心是细微的光栅栅线,它使得通过电子处理达到极高的分辨率成为可能。光学编码器通常每转产生512或2048个信号周期,每个信号周期再电子细分12或14Bit。这已成为高精度应用的一个标准。多转式光学编码器可以在4096转之内唯一确定圈数。 旋转变压器通过识别两个线圈间的感应效应来识别位置,通常电机旋转一圈,旋转变压器输出一个信号周期。这样获得的位置值在一圈之内是绝对式的,但是通过电子细分所能达到的分辨率就十分有限了。 感应式旋转编码器也是通过测量线圈间的感应现象来识别位置变化。角度值的获取是绝对式的。通过采用每圈13或32个信号周期的码盘,可以获得比旋转变压器高得多的位置分辨率。和光学式旋转编码器相似,感应式旋转编码器也可以在4096转之内唯一确定转动圈数。感应式编码器线圈之间的距离对精度有很大的影响。伺服电机内部的热变形是造成编码器线圈间距变化的一个原因。为此海德汉的感应式旋转编码器配备了高度集成化的专用芯片。这些芯片通过计算线圈间距对感应现象强弱的影响来对测量结果做实时的补偿。 位置测量的限制因素 旋转变压器和旋转编码器在进行位置测量时,可能受到有规律因素和无规律因素的干扰。 有规律因素的代表为: ·因编码器安装刚性不足造成的振动、 ·编码器模拟信号的偏置、相位和幅值误差、 ·因反馈元件和控制器间传输带宽限制造成的位置信号的相位误差、 ·依据测量系统模拟信号进行位置值计算时产生的细分误差。 无规律因素的代表是: ·测量系统模拟信号自有噪声 ·在采用有限分辨率对模拟信号进行量化处理时产生的额外噪声。 位置信号分辨率对控制环的影响 编码器信号分辨率的影响可以用图2中简化的控制环图来说明。对旋转变压器输出信号进行14Bit细分后,其位置信号最小可分辨步距(LSB:leastsignificantBit)为:SLSB=384×10-6弧度。采用常用的差分运算来计算转速时,由此产生的速度误差 在考虑分辨率对电机电流的影响时,可以忽略位置控制环和速度控制环的积分项I。采用表1中所列的参数计算时,编码器反馈信号的不连续变化在图2所示的控制环中造成了跳跃式的,。这大概相当于该电机50%的峰值电流。 为了解决这个问题,使用旋转变压器时,常需要配合使用平滑过滤电路对旋转变压器的速度信号进行处理。但是,这种方法会造成控制环的相位损失,进而限制了控制环所能达到的最大增益。降低电机转速和控制环增益可以减少这种现象的负面影响,但是众所周知,高转速和高增益恰恰是高性能驱动的根本前提。 对17Bit的感应式旋转编码器而言,同样条件下计算出的电流跳跃仅为400mA。采用分辨率达25