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            伺服驅動控制環中的編碼器


            伺服驅動常常配備有用作位置和速度控制的編碼器或旋轉變壓器。對低成本、多轉,而且和旋轉變壓香蕉篩器一樣皮實的絕對式編碼器的需求在不斷增加。除此之外,如何簡單快捷地通過串行接口將編碼器和控制器相聯接也是重要議題。采用感應式掃描原理,擁有多轉分辨率和雙向 EnDat 通訊協議的編碼器填補了旋轉變壓器和光學編碼器之間的空隙。

            除了編碼器的各項YZS圓振動篩技術參數外,編碼器的信號質量對驅動的性能有著決定性的影響。有限的分辨率和周期性測量誤差會對伺服驅動的精度和運轉平順度有直接的影響。下面對不同編碼器技術對伺服驅動控制環的影響做進一步的分析。

            伺輥式粉碎機服驅動用測量系統

            采用光學掃描原理的編碼器的核心是細微的光柵柵線,它使得通過電子處理達到極高的分辨率成為可能螺旋分料器。光學編碼器通常每轉產生512或2048個信號周期,每個信號周期再電子細分12或14Bit。這已成為高精度應用的一個標準。多轉式光學編碼器可以在4096轉之內唯一確定圈數。

            旋轉變壓器通過識別兩個線圈間的感應效應來識別位置,通常電機旋轉一圈,旋轉變螺旋提升機壓器輸出一個信號周期。這樣獲得的位置值在一圈之內是絕對式的,但是通過電子細分所能達到的分辨率就十分有限了。

            感應式旋轉編碼器也是通過測量線圈間的感應現象來識別位置變化。角度值的獲取是絕對式的。通過采用每圈13或32個信號周期的碼盤,可以獲得比旋轉變壓器高得多的位置分辨率。和光學式旋轉編碼器相似,感應式旋轉編碼器也可以在4096轉之內唯一確定轉動圈數。感應式編碼器線圈之間的距離對精度有很大的影響。伺服電機內部的熱變形是造成編碼器線圈間距變化的一個原因。為此海德漢的感應式旋轉編碼器配備了高度集成化的專破碎機輸送機用芯片。這些芯片通過計算線圈間距對感應現象強弱的影響來對測量結果做實時的補償。

            位置測量的限制慣性振動器因素

            旋轉變壓器螺旋傳輸機和旋轉編碼器在進行位置測量時,可能受到有規律因素和無規律因素的干擾。

            QS型系列氣流篩有規律因素的代表為:

            ·因編碼同步碎石封層器安裝剛性不足造成的振動、
            ·波紋擋邊輸送機編碼器模擬信號的偏置、相位和幅值誤差、
            ·因反饋元件和控制器間傳輸帶移動破碎站寬限制造成的位置信號的相位誤差、
            ·依據測量大傾角波形擋邊輸送機系統模擬信號進行位置值計算時產生的細分誤差。

            無規律因素的代表金屬輸送帶是:

            ·同步碎石封層車測量系統模擬信號自有噪聲
            ·在采用有限分辨率對模擬信號進行量化處理時產生的額外噪聲。

            位置信號分辨率對控制環的影響

            編碼器信號分辨率的影響可以用圖2中簡化的控制環圖來說明。對旋轉變壓器輸出信號進行 14Bit 細分后,其位置信號最小可分辨步距(LSB: least significant Bit)為 : SLSB = 384×10-6 弧度。采用常用的差分運算來計算轉速時,由此產生的速度誤差為:

            在考慮分辨率對電機電流的影響時,可以忽略位置控制環和速度控制環的積分項I 。采用表1中所列的參數計算時,編碼器反饋信號的不連續變化在圖2所示的控制環中造成了跳躍式的,約3.4安培的理論電流變化。這大概相當于該電機50%的峰值電流。

            為了解決這個問題,使用旋轉變壓器時,常需要配合使用平滑過濾電路對旋轉變壓器的速度信號進行處理。但是,這種方法會造成控制環的相位損失,進而限制了控制環所能達到的最大增益。降低電機轉速和控制環增益可以減少這種現象的負面影響,但是眾所周知,高轉速和高增益恰恰是高性能驅動的根本前提。

            對17Bit的感應式旋轉編碼器而言,同樣條件下計算出的電流跳躍僅為 400 mA。采用分辨率達25Bit的光學編碼器時,電流跳躍更是小到只有 2 mA。對這兩種編碼器,不再有采用平滑過濾電路的必要性了。

            周期性誤差的影響

            前面提到的有規律因素中的一種是周期性位置誤差。它是在碼盤兩相鄰元素(柵線或線圈)之間進行位置計算時產生的。一般也被稱為細分誤差。與碼盤上的周期性結構相對應,這個誤差體現為周期性誤差。它除了影響定位精度外,還嚴重影響電機運行時的平順度和噪音。圖2展示了兩種轉速下,細分誤差對控制環的影響。

            按照由細分誤差造成的位置誤差的大小,速度控制環不斷調整電機電流來使電機加速或減速。圖3展示了轉速、細分誤差的周期和控制環的控制周期之間的關系。進給速度較低時,進給驅動跟隨細分誤差(圖3,區域I)。隨著轉速的提高,周期性細分誤差的頻率也隨之提高。

            但是,進給驅動只能在其控制環帶寬之內跟隨細分誤差的變化。超出控制帶寬后,細分誤差對電機軸運動的影響變小(圖3,區域II)。與此相反,細分誤差對電機電流的影響卻不斷增大,這在系統增益較高和反饋元件信號質量較差時,會導致驅動系統的異常噪聲(圖3,區域II和III)。

            如果繼續提高轉速,細分誤差的諧波部分有可能達到或超過控制環處理頻率的一半。此時,控制器會在較低的頻率下跟隨細分誤差的諧波部分。在某些特定的轉速區間內,細分誤差的諧波可能再次進入到控制器帶寬的區域 I 范圍內, 并可能再次造成明顯的位置誤差。對于進給驅動的最高可實現精度而言,測量誤差的幅值和周期都起決定性作用。驅動只在區域 I 范圍內才會跟隨周期性測量誤差的諧波部分,而區域 I 的界限則取決于控制帶寬。以配備了2048線編碼器,控制帶寬為 100 Hz的驅動為例,電機在 0 到 2,8轉/分的范圍內跟隨細分誤差的基波。因為子采樣因素,細分誤差的頻率在 290 至 296 轉/分,583 至 589 轉/分等轉速區間內再次進入到了控制帶寬內。以配有2048線編碼器的驅動為例,電機處與這些轉速區間中時,位置誤差的典型值在±30·10-6 弧度范圍內。

            感應式編碼器的信號周期數量遠少于光學式編碼器。這使得它細分誤差的信號周期較長,造成電機跟隨細分誤差的頻率范圍顯著變廣。在采用 32 線感應編碼器,并沿用表中所列的數值進行計算可知,直到電機轉速為 188 轉/分時,驅動電機都會跟隨細分誤差的基波運動。這時的典型位置誤差要遠大于剛才的例子,達到了 ±400·10-6 弧度。

            對旋轉變壓器而言,周期長短不同的諧波影響電機運轉的平順性。測量誤差基波的周期為一轉。沿用表1中所列的數值,在控制帶寬為 100 Hz時,直到電機轉速為 6000 轉/分時,驅動電機都會跟隨細分誤差的基波運動。這意味著,基本上旋轉變壓器會在電機的整個轉速范圍中造成轉速的不正常波動。

            模塊式編碼器集成方案

            好的伺服驅動應該可以適應不同精度的應用。為了達到所需的精度,正確選擇測量元件起決定性作用。擁有統一機械尺寸和電氣接口的系列測量元件是構建多用途、模塊化伺服驅動產品的前提之一。

            海德漢公司的感應式和光學式編碼器通過內部計算獲得絕對式位置值,并通過可靠的 EnDat 雙向數據交流接口和控制器交換數據。這樣使得用戶可以將采用了不同掃描原理的測量元件模塊化地集成到自己的伺服系統中去。除此之外,通過 EnDat 接口,用戶還可以將伺服驅動的各種參數以電子銘牌的形式存儲在編碼器的內存中,實現控制器對驅動產品的自動識別。

            圖 4 所示的多用途編碼器法蘭設計可以實現高度靈活的測量元件的安裝。電機端的安裝軸用以固定編碼器或旋轉變壓器的轉子部分。定子部分的固定,在安裝旋轉變壓器時多采用三點支撐;對光學或感應式編碼器則利用定心孔保證徑向位置,再采用膨脹圈或是偏心螺栓予以固定。


            圖4:多用途編碼器法蘭,可用于安裝旋轉變壓器、感應式和光學式編碼器
            圖5:旋轉變壓器、感應式和光學式編碼器:應用領域決定反饋元件的選擇

            總結

            旋轉變壓器的突出優點是其耐用性。相比之下,光學式編碼器則在電機定位精度、轉速平順性和運轉噪音等方面有不可比擬的絕對優勢(圖 5)。因此,采用了光學式掃描原理、EnDat 雙向數據交換接口而且可以在多轉范圍內絕對式確定位置的編碼器在包括機床用高動態伺服驅動等領域得到了廣泛應用。

            感應式編碼器的原理和旋轉變壓器相似,但是它可以實現17 Bit/每轉的分辨率。和采用旋轉變壓器的驅動相比,采用感應式編碼器時,驅動的運轉因為更高的分辨率變得更為安靜、平順。驅動系統達到較高動態性能的能力也得以提高,這尤其對于采用了多個驅動電機,而且驅動電機之間有同步要求的應用有重要意義。海德漢感應式編碼器和光學式編碼器的機械安裝尺寸、電氣接口完全兼容,這使得用戶可以極為方便地開發出精度等級不同的模塊式系列電機產品。 (

             

            此文關鍵字:香蕉篩

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