Richard Anslow and Michael Jackson

據(jù)估計(jì)，電機(jī)消耗了全球約50%的發(fā)電量，使其成為可持續(xù)性改進(jìn)的明顯目標(biāo)，編碼器將在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。本博客系列將回答有關(guān)電機(jī)編碼器的一些最常見(jiàn)的問(wèn)題，涵蓋編碼器技術(shù)（包括相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)）、特定應(yīng)用的性能指標(biāo)和規(guī)格、信號(hào)鏈電子和電機(jī)控制設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并研究一些新興趨勢(shì)。第一篇博客探討了運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用不斷變化的性質(zhì)如何推動(dòng)對(duì)更多高性能電機(jī)編碼器的需求，并比較了不同類型編碼器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

開(kāi)環(huán)與閉環(huán)電機(jī)控制

近幾十年來(lái)，工業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生了穩(wěn)定但重大的轉(zhuǎn)變，從并網(wǎng)電機(jī)轉(zhuǎn)向逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)的終端設(shè)備變得更加高效，這導(dǎo)致了相當(dāng)大的工藝成本和能源節(jié)約。開(kāi)環(huán)電機(jī)速度控制可以通過(guò)向電機(jī)施加變頻電壓（通過(guò)逆變器上的脈寬調(diào)制）來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法在穩(wěn)態(tài)或緩慢變化的動(dòng)態(tài)條件下相當(dāng)有效，并且在使用開(kāi)環(huán)速度控制的低性能應(yīng)用中的許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。但是，這種方法也有幾個(gè)缺點(diǎn)：

由于沒(méi)有反饋，電機(jī)速度精度受到限制

由于無(wú)法優(yōu)化電流控制，電機(jī)效率差

必須嚴(yán)格限制瞬態(tài)響應(yīng)，以免電機(jī)失去同步

通過(guò)將功率逆變器與高性能電機(jī)速度/位置檢測(cè)和功率級(jí)的電流/電壓閉環(huán)反饋相結(jié)合，可以顯著提高電機(jī)性能和效率（圖 1）。實(shí)現(xiàn)這種方法需要電機(jī)編碼器，但作為回報(bào)，即使在最苛刻的應(yīng)用中，它也能提供更高質(zhì)量的電機(jī)控制性能和同步。

圖1 閉環(huán)逆變器供電電機(jī)控制反饋系統(tǒng)

編碼器有什么作用？

編碼器跟蹤旋轉(zhuǎn)軸的速度和位置 - 可以在閉合反饋回路中提供的信息。在通用伺服驅(qū)動(dòng)器中，編碼器測(cè)量軸位置，也可以推斷速度。編碼器提供機(jī)器人和離散控制系統(tǒng)所需的精確和可重復(fù)的軸位置信息。

主要的編碼器技術(shù)有哪些？

帶有光學(xué)或磁傳感器的編碼器是使用最廣泛的編碼器之一，但也提供電容式編碼器。

光學(xué)編碼器（圖2）通常由一個(gè)不透明的玻璃（或塑料）圓盤(pán)組成，帶有精細(xì)的透明光刻槽，并連接到旋轉(zhuǎn)軸上。當(dāng)磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，來(lái)自 LED 的光要么被阻擋，要么在經(jīng)過(guò)插槽時(shí)被允許通過(guò)。光電二極管檢測(cè)到這種光并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)被放大和數(shù)字化，然后通過(guò)有線電纜發(fā)送到電機(jī)控制器。光學(xué)編碼器提供高分辨率和高精度，但容易受到灰塵和污垢的影響，這可能會(huì)阻礙光源。此外，它們的玻璃或塑料結(jié)構(gòu)使它們?nèi)菀资艿綇?qiáng)烈振動(dòng)和高溫的影響。

圖2 使用光學(xué)換能器的電機(jī)編碼器

磁編碼器（圖 3）由一個(gè)帶有交變磁極的旋轉(zhuǎn)金屬盤(pán)和一個(gè)霍爾效應(yīng)或磁阻傳感器組成。它 通過(guò)檢測(cè)磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)磁通場(chǎng)的變化來(lái)工作。磁場(chǎng)傳感器提供正弦和余弦模擬輸出信號(hào)，這些 信號(hào)在發(fā)送到控制器之前被放大和數(shù)字化。與光學(xué)編碼器相比，磁編碼器在存在污染物（如油和污垢）的情況下提供堅(jiān)固的性能，并且不易受到?jīng)_擊和振動(dòng)的影響。然而，磁編碼器對(duì)電動(dòng)機(jī)引起的磁干擾很敏感，并且工作溫度范圍有限。雖然磁編碼器的性能最近有所提高，但它們通常提供的分辨率和精度也低于光學(xué)編碼器。

圖3 使用磁傳感器的電機(jī)編碼器

審核編輯：郭婷