了解编码器不必让您头脑清醒

Richard Anslow and Michael Jackson

据估计，电机消耗了全球约50%的发电量，使其成为可持续性改进的明显目标，编码器将在实现这一目标方面发挥关键作用。本博客系列将回答有关电机编码器的一些最常见的问题，涵盖编码器技术（包括相对优缺点）、特定应用的性能指标和规格、信号链电子和电机控制设计挑战，并研究一些新兴趋势。第一篇博客探讨了运动控制应用不断变化的性质如何推动对更多高性能电机编码器的需求，并比较了不同类型编码器技术的优势。

开环与闭环电机控制

近几十年来，工业旋转设备发生了稳定但重大的转变，从并网电机转向逆变器驱动电机。随着电机驱动的终端设备变得更加高效，这导致了相当大的工艺成本和能源节约。开环电机速度控制可以通过向电机施加变频电压（通过逆变器上的脉宽调制）来实现。这种方法在稳态或缓慢变化的动态条件下相当有效，并且在使用开环速度控制的低性能应用中的许多电机驱动器。但是，这种方法也有几个缺点：

由于没有反馈，电机速度精度受到限制

由于无法优化电流控制，电机效率差

必须严格限制瞬态响应，以免电机失去同步

通过将功率逆变器与高性能电机速度/位置检测和功率级的电流/电压闭环反馈相结合，可以显著提高电机性能和效率（图 1）。实现这种方法需要电机编码器，但作为回报，即使在最苛刻的应用中，它也能提供更高质量的电机控制性能和同步。

图1 闭环逆变器供电电机控制反馈系统

编码器有什么作用？

编码器跟踪旋转轴的速度和位置 - 可以在闭合反馈回路中提供的信息。在通用伺服驱动器中，编码器测量轴位置，也可以推断速度。编码器提供机器人和离散控制系统所需的精确和可重复的轴位置信息。

主要的编码器技术有哪些？

带有光学或磁传感器的编码器是使用最广泛的编码器之一，但也提供电容式编码器。

光学编码器（图2）通常由一个不透明的玻璃（或塑料）圆盘组成，带有精细的透明光刻槽，并连接到旋转轴上。当磁盘旋转时，来自 LED 的光要么被阻挡，要么在经过插槽时被允许通过。光电二极管检测到这种光并将其转换为电信号，该信号被放大和数字化，然后通过有线电缆发送到电机控制器。光学编码器提供高分辨率和高精度，但容易受到灰尘和污垢的影响，这可能会阻碍光源。此外，它们的玻璃或塑料结构使它们容易受到强烈振动和高温的影响。

图2 使用光学换能器的电机编码器

磁编码器（图 3）由一个带有交变磁极的旋转金属盘和一个霍尔效应或磁阻传感器组成。它 通过检测磁盘旋转时磁通场的变化来工作。磁场传感器提供正弦和余弦模拟输出信号，这些 信号在发送到控制器之前被放大和数字化。与光学编码器相比，磁编码器在存在污染物（如油和污垢）的情况下提供坚固的性能，并且不易受到冲击和振动的影响。然而，磁编码器对电动机引起的磁干扰很敏感，并且工作温度范围有限。虽然磁编码器的性能最近有所提高，但它们通常提供的分辨率和精度也低于光学编码器。

图3 使用磁传感器的电机编码器

审核编辑：郭婷