緊湊、耐用并滿足SIL3安全要求

機床、機器人和一般自動化系統(tǒng)的用戶對高性能及低成本的要求在不斷提高。這需要使用高動態(tài)性能、結(jié)構(gòu)緊湊和能效高并有安全功能的驅(qū)動。由于不同應用的要求不盡相同，安全功能的編碼器不僅是高端機床驅(qū)動所需，也是一般應用所需。海德漢推出的第3代無內(nèi)置軸承ECI/EQI1100系列37mm直徑的感應掃描的旋轉(zhuǎn)編碼器能滿足高安全應用對高動態(tài)性能和節(jié)能型伺服驅(qū)動的要求。

圖1：ECI1119/EQI1131FS–37mm直徑的感應式旋轉(zhuǎn)編碼器

新一代感應掃描技術

海德漢最新成功開發(fā)的ASIC芯片為直徑37mm的感應式旋轉(zhuǎn)編碼器提供了安全功能。該編碼器的安全性能達到SIL2，3級PLd。如果為控制系統(tǒng)增加一些措施，安全性能甚至能達到SIL3，4級PLe。另一個優(yōu)點是機械防松功能，它能避免軸和聯(lián)軸器的松動。

而且，系統(tǒng)精度比上一代產(chǎn)品提高兩倍，達到±120角秒。由于這些編碼器采用對污染不敏感的感應掃描原理，因此具有較高耐用性特點。全新感應式旋轉(zhuǎn)編碼器ECI1119FS（單圈）和EQI1131FS（多圈）還兼容ECN/EQN11xxFS系列內(nèi)置軸承光學掃描旋轉(zhuǎn)編碼器。該編碼器在機械和電氣方面的兼容性確保了它能為應用的控制要求提供所需可擴展性，因此能最大限度減少電機型號數(shù)量。

與上代產(chǎn)品相比，特別是被顯著放寬的機械允許公差，例如允許的軸向竄動量放寬了2倍。為簡化機械安裝的檢查，編碼器生成一個代表配合尺寸的數(shù)值，伺服變頻器通過EnDat接口能讀取該值。全新感應式旋轉(zhuǎn)編碼器還有編碼器溫度和電機溫度監(jiān)測功能，它分別用編碼器內(nèi)的溫度傳感器和外部溫度傳感器測量溫度。旋轉(zhuǎn)編碼器處理這兩路溫度傳感器信號，而且不中斷控制環(huán)工作，后續(xù)電子電路通過EnDat2.2接口用數(shù)字方式讀取該數(shù)據(jù)。

比較光學掃描編碼器的控制質(zhì)量

下面我們以實際電機為例比較新一代感應式旋轉(zhuǎn)編碼器與上一代編碼器及光學掃描的EQN1135旋轉(zhuǎn)編碼器。為確保電機影響最小，我們選擇扭矩波動極小的電機進行測量。在電機的輸出軸處安裝高精度角度編碼器（測量精度優(yōu)于±1角秒），用于評估驅(qū)動系統(tǒng)的精度和速度穩(wěn)定性。

系統(tǒng)精度

系統(tǒng)精度是評估能否適應特定應用要求的重要條件。圖2是三種編碼器的精度記錄。與EQI1130相比，全新EQI1131感應式旋轉(zhuǎn)編碼器的短行程測量誤差明顯減小。正如預期，光學掃描的EQN1135旋轉(zhuǎn)編碼器的精度最高。

圖2：感應式旋轉(zhuǎn)編碼器與光學掃描旋轉(zhuǎn)編碼器單圈轉(zhuǎn)動的典型精度測量值

控制環(huán)的動態(tài)性能

控制環(huán)動態(tài)性能測試采用電機的電流、轉(zhuǎn)速和位置級聯(lián)控制方式。為保持比較好的兼容性，所有被測編碼器都用相同的控制參數(shù)設置（控制周期時間100µs，速度控制單元比例增益14001/s）。圖3顯示三種編碼器速度控制閉環(huán)的幅值頻率響應（伯德圖）。采用這三種編碼器的驅(qū)動系統(tǒng)的控制帶寬都達到大約600Hz。未檢測到諧振點?？蓪崿F(xiàn)的動態(tài)性能只取決于控制單元的參數(shù)設置。海德漢旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)的大帶寬讓系統(tǒng)擁有了更高性能，整個系統(tǒng)可實現(xiàn)的動態(tài)性能不再受編碼器制約，只是受復雜控制路徑的制約。

圖3：速度控制閉環(huán)中感應式旋轉(zhuǎn)編碼器與光學掃描旋轉(zhuǎn)編碼器的頻率響應

速度控制單元的高增益設置保證了電機軸的機械干擾能被很好地抑制。然而，也明顯擴大了旋轉(zhuǎn)編碼器的測量誤差。因此，對于高性能的伺服電機，決定速度穩(wěn)定性的主要因素是編碼器質(zhì)量而不是電機的機械質(zhì)量（例如扭矩波動）。圖4顯示不同轉(zhuǎn)速時被控電機的速度穩(wěn)定性。全新感應式旋轉(zhuǎn)編碼器的速度穩(wěn)定性與光學掃描的旋轉(zhuǎn)編碼器相比只有微小差異。因此，全新感應式旋轉(zhuǎn)編碼器對污染不敏感的掃描方式和極好的抗振性能（定子：≤400m/s²，轉(zhuǎn)子：≤600m/s²）的特性使它成為生產(chǎn)型機床的理想選擇。全新感應式編碼器速度波動極小的主要原因是它的短行程位置誤差小。

圖4：采用感應式和光學掃描旋轉(zhuǎn)編碼器電機的速度穩(wěn)定性

在驅(qū)動中，分辨率不足體現(xiàn)在被測速度的量化誤差上。量化誤差主要發(fā)生在高頻處，這是因為速度是（量化）位移的導數(shù)。高頻誤差被速度控制環(huán)帶入到電流控制環(huán)中。電流誤差導致電機的力和扭矩變化，進而觸發(fā)機械共振頻率，還表現(xiàn)為誤差擴散。而且，也造成電機損耗的增加，影響能耗。因此，較高的位置分辨率是高動態(tài)性能驅(qū)動的必然選擇。

位置控制環(huán)的位置誤差

根據(jù)應用任務，旋轉(zhuǎn)編碼器的精度及/或重復精度都關系到定位精度。名義位置附近的位置誤差是因為驅(qū)動系統(tǒng)存在誤差和被測對象的量化誤差（位置，速度和電流）。如果用最高可能速度接近一個位置，就需要高增益的速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。然而，這也意味著實際值測量誤差將被帶入到控制環(huán)中。為保證在定位模式中達到最高性能，也需要用海德漢公司提供的信號質(zhì)量最好的編碼器。

編碼器信號誤差對于保持電機軸在特定位置發(fā)揮著重大作用。在數(shù)字化位置值前編碼器中不可避免存在誤差和位置分辨率不足造成量化誤差都使控制環(huán)產(chǎn)生實際值偏差。閉環(huán)控制通過扭矩設置使電機在所需位置附近進行微量運動以盡可能補償這些偏差。這些運動如圖5所示。正如預計，由于光學掃描編碼器的有效分辨率最高，因此表現(xiàn)最好。

圖5：感應式和光學掃描旋轉(zhuǎn)編碼器在位置控制模式中的位置誤差

總結(jié)和展望

最新開發(fā)的第3代感應式多圈旋轉(zhuǎn)編碼器ExI11xx幫助用戶在一個設備中實現(xiàn)最高達SIL3級的功能安全系統(tǒng)。其機械（安裝）及電氣（EnDat2.2接口）與ExN11xx光學掃描旋轉(zhuǎn)編碼器兼容，因此事實上可應用于所有已有應用范圍。所有用戶都能受益于它的優(yōu)異控制性能，例如高精度，高動態(tài)性能，高效率，堅固的設計和允許的安裝公差大。

詳細信息表

表1：旋轉(zhuǎn)編碼器對比