在自動化控制中經(jīng)常會碰到各種電機(jī)的控制，在輸送帶、升降機(jī)、提升小車等較大功率的電機(jī)大部分是用變頻電機(jī)，各個品牌PLC+變頻器驅(qū)動控制變頻電機(jī)也很普及了。

但是，用戶經(jīng)常會有各種各樣的問題：變頻電機(jī)為什么要裝編碼器？不裝編碼器也行嗎？變頻電機(jī)裝了編碼器，就可以作為異步伺服控制了嗎？就可以做定位控制了嗎?有些變頻電機(jī)控制不僅裝了一個編碼器，還有雙編碼器閉環(huán)，這是怎么回事呢？

有人說：“變頻電機(jī)做不好定位，也做不好同步，要做同步控制就要換同步伺服電機(jī)？”變頻電機(jī)的編碼器信號經(jīng)常被干擾，也很容易壞，該怎么選編碼器呢？

變頻電機(jī)增裝編碼器的原因

基本概念：變頻電機(jī)驅(qū)動沒有位置環(huán)。變頻電機(jī)上的編碼器是“速度編碼器”，是為精確計算電機(jī)反電動勢的速度反饋。電機(jī)反電動勢與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。

由于伺服電機(jī)的普及使用，現(xiàn)在很多控制的思路都會向伺服電機(jī)比較與衡量，盡管變頻控制早于伺服控制。伺服電機(jī)的控制是位置環(huán)、速度環(huán)、力矩環(huán)的閉環(huán)控制，這在永磁同步電機(jī)的設(shè)計原理上就有體現(xiàn)，驅(qū)動電流的相位與轉(zhuǎn)子的位置同步，伺服電機(jī)的驅(qū)動已確定了位置環(huán)是“天然”閉環(huán)的。而在變頻電機(jī)驅(qū)動是異步的，有時也稱為異步電機(jī)，即使加上電機(jī)后部編碼器的反饋，它也只有速度環(huán)，沒有在電機(jī)驅(qū)動上的“位置環(huán)”，因此這個編碼器就是“速度編碼器”。

變頻電機(jī)編碼器作為速度編碼器，它主要的目的是作為電機(jī)轉(zhuǎn)子反電動勢的計算，以達(dá)到對應(yīng)當(dāng)前電機(jī)反電動勢的精準(zhǔn)驅(qū)動控制。

當(dāng)驅(qū)動電流啟動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，根據(jù)電磁定律，當(dāng)磁場變化時，附近的導(dǎo)體會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其方向符合法拉第定律和楞次定律，與原先加在線圈兩端的電壓正好相反。這個電壓就是反電動勢。

以能量守恒法則：電機(jī)驅(qū)動器送出的電能=機(jī)械能（驅(qū)動電流與反電動勢平衡）+損耗（電機(jī)電流阻抗熱損、機(jī)械阻力、配阻箱熱損等）。

電機(jī)在啟動加速時，必須達(dá)到驅(qū)動電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)勢能大于反電動勢能（矢量為正），但也不能過大，過大的電流是損耗在電機(jī)熱能和配阻箱熱能上的。速度編碼器的反饋提供給變頻器計算反電動勢，以使驅(qū)動旋轉(zhuǎn)勢能正好大于反電動勢能。

每臺電機(jī)有各自的特性常數(shù)，反電動勢與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和這個特性常數(shù)成正比關(guān)系。

反電動勢=特性常數(shù)X轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

安裝有編碼器的變頻電機(jī)，編碼器信號反饋給變頻驅(qū)動器，計算出當(dāng)前的電機(jī)反電動勢，變頻驅(qū)動器給出合理的控制電流。

當(dāng)編碼器反饋給變頻器的信號計算出電機(jī)轉(zhuǎn)速偏低，遠(yuǎn)低于設(shè)計的對應(yīng)驅(qū)動電流下電機(jī)應(yīng)該達(dá)到的旋轉(zhuǎn)速度，此時稱為電機(jī)驅(qū)動“失速”，變頻電機(jī)失速意味著反電動勢偏低，電能都用到了熱損上去了（反電動勢偏低，電壓分配給阻抗上），此時電機(jī)線圈電阻抗低，電流增大而電機(jī)發(fā)燙，或者變頻器電流偏大，有可能就會燒損電機(jī)或者變頻器，這時需要失速保護(hù)，而停止電機(jī)驅(qū)動。

對應(yīng)這種可能出現(xiàn)的變頻電機(jī)失速，早期常用的方法就是把電機(jī)功率和變頻器功率設(shè)計的更大，要有足夠的大，有足夠的余量對應(yīng)大電流熱損，防止燒壞電機(jī)或者變頻器器件，并且需要配備一個很大的配電阻箱，過電壓分配將瞬間啟動時的過余能量在配電阻箱平衡。這就造成電機(jī)設(shè)計的體積大，變頻器效率低的浪費(fèi)。而且在電機(jī)驅(qū)動加速時浪費(fèi)了很多能量在熱損上。

變頻電機(jī)增加安裝編碼器，就可以提高電機(jī)與變頻器在啟動時的能量效率，減少電機(jī)與變頻器損壞的可能。

一個比喻，開車的司機(jī)都知道，車輛從低速啟動時是最耗油的，如果是上坡加速更加耗油。電機(jī)驅(qū)動也是一樣的道理，電機(jī)的能量損耗大部分是在啟動加速時。變頻電機(jī)如果想要真正達(dá)到節(jié)能的效果，最好就要加編碼器反饋，在啟動時精細(xì)化控制電流，減少啟動熱損的能量浪費(fèi)，同時也保護(hù)電機(jī)與變頻器不易損壞。

因此，如果變頻電機(jī)編碼器選型與安裝得當(dāng)，由于電機(jī)與變頻器效率的提高，損害故障的減少，并且能真正體現(xiàn)變頻電機(jī)的節(jié)能效果，多安裝一個編碼器所獲得的效益是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個編碼器的價格。

矢量控制模式，編碼器反饋可提高加速度、力矩控制的執(zhí)行力。

矢量是指有方向性的控制。電機(jī)驅(qū)動的勢能保持對反電動勢的勢能為正時，是加速；電機(jī)驅(qū)動的勢能保持對反電動勢的勢能為負(fù)時，是減速。

矢量控制是對電機(jī)的加減速執(zhí)行力效果的精細(xì)化控制，尤其是在電機(jī)啟動低速加速，和電機(jī)減速定位停止時（低速段）的執(zhí)行力精準(zhǔn)性。

以牛頓第二定律來言：F=kma；F=力；m=質(zhì)量；k=慣性常數(shù)；a=加速度

加（減）速度對應(yīng)電機(jī)力矩，矢量控制對應(yīng)電機(jī)力矩控制的執(zhí)行力。如果要達(dá)到矢量控制的精準(zhǔn)性，需要轉(zhuǎn)子加速度的精確反饋，最好由編碼器作為加速度計算的反饋傳感器。

有部分電機(jī)用霍爾傳感器作為速度加速度反饋；也有無傳感器的方案是利用電機(jī)自身線圈采樣反電動勢采集計算。但是，霍爾傳感器和無傳感器方案中，在低速時的反饋采集精度都很差，這就是說在電機(jī)啟動低速時，和電機(jī)減速停止時的矢量控制沒有了精度，是粗糙的控制。

安裝有速度編碼器的傳感反饋，一般為1024PPR的脈沖反饋，精度高于霍爾傳感器，或者無傳感器的電機(jī)線圈自身反電動勢的精度，尤其是在低速啟動時的高效節(jié)能，和在減速停止時的定位執(zhí)行精準(zhǔn)度。

回到本文開頭的問題，變頻電機(jī)不裝編碼器也行嗎？

當(dāng)然可以。不過它就沒有了低速時的速度與加速度的反饋精度，低速時驅(qū)動器控制精度也就沒有了。而電機(jī)能耗在電機(jī)啟動加速（低速）時最大，電機(jī)與變頻器的故障損壞在電機(jī)啟動加速（低速時）占50%以上。

異步伺服電機(jī)的雙編碼器閉環(huán)

異步伺服控制模式需雙編碼器閉環(huán)——異步電機(jī)加減速的響應(yīng)執(zhí)行力延遲與減速機(jī)精度問題。

正如前文所講，異步電機(jī)不同于同步電機(jī)，在異步電機(jī)驅(qū)動環(huán)節(jié)沒有位置閉環(huán)，是依賴速度對時間的積分得到位置。我們知道，伺服控制是指位置環(huán)、速度環(huán)、力矩環(huán)的三環(huán)閉環(huán)控制。位置環(huán)與速度環(huán)本應(yīng)該是各自獨(dú)立的，盡管有位置變化/時間=速度，而速度x時間=位置的計算，但是這樣的計算在同步電機(jī)可行，在異步電機(jī)不可行——誤差與執(zhí)行響應(yīng)延遲上的不同。因為是異步控制，速度反饋到執(zhí)行響應(yīng)的誤差假設(shè)控制在千分之一以內(nèi)、每秒，對于異步控制這已經(jīng)是不錯的精度了，那么一千秒鐘的位置積分誤差累加最大就可能達(dá)到了每秒誤差的一千倍?。?7分鐘）。為此，在有的異步電機(jī)控制器里，用電機(jī)上安裝的編碼器直接做位置閉環(huán)計算，而不用速度環(huán)的積分得到電機(jī)位置，但這又遇到了另一個問題——實際要求的工藝端在機(jī)械傳動末端，機(jī)械傳動與減速機(jī)的誤差與延遲影響位置控制執(zhí)行力問題。

精密減速機(jī)問題

減速機(jī)的作用是一個杠桿原理，在減速機(jī)(支點(diǎn)）的輸入端，用較小的力（用較小功率的電機(jī)）走較多的路（減速前電機(jī)轉(zhuǎn)速高，走的圈數(shù)多），通過減速機(jī)的減速比，使得杠桿支點(diǎn)的另一端減速機(jī)輸出端旋轉(zhuǎn)走較少的路（減速后輸出轉(zhuǎn)速低，走的圈數(shù)少）卻獲得放大的輸出力，這是杠桿原理。但是使用減速機(jī)不僅僅是杠桿減速比這么簡單，它同時也帶來了機(jī)械精度損失、機(jī)械磨損、機(jī)械摩擦等阻力效能損失、傳動齒輪的精度使用壽命減少等問題，以及減速機(jī)輸入輸出時間響應(yīng)的損失。

目前的同步伺服電機(jī)的大量普及，還大都在較小功率電機(jī)的使用，小型伺服電機(jī)的減速機(jī)設(shè)計的主要精力是在精密性上，而在減速機(jī)另外一些重要參數(shù)，如力矩效能、材料特性、機(jī)械磨損上要求并不突出。而異步電機(jī)常常用在較大功率輸出要求上，減速機(jī)廠家把關(guān)注力放在了材料特性、機(jī)械磨損、輸出力矩效能上，而在末端機(jī)械位置精度要同時達(dá)到像小型伺服電機(jī)減速機(jī)那樣的精度已經(jīng)很難了。除非是在機(jī)器人手臂上使用，機(jī)器人手臂減速機(jī)必須同時又有精度保證，又要有力矩與機(jī)械材料耐磨損特性。目前機(jī)器人減速機(jī)基本由日本兩家減速機(jī)公司壟斷，也是因為這種輸出大力矩耐磨損，又要同時有高精度保證的減速機(jī)的難度。其他大部分的異步伺服電機(jī)不可能配備這種昂貴又被別人壟斷的精密減速機(jī)，他們只能放棄在減速機(jī)末端的機(jī)械位置精度。

如果還要求達(dá)到異步伺服“位置環(huán)”的控制精度要求，解決的方案就是在機(jī)械末端再加裝一個“位置編碼器”，這個機(jī)械傳動末端的編碼器也稱為“第二編碼器”“負(fù)載端工藝軸編碼器”。例如可以裝在減速機(jī)的輸出端，如下圖。

這樣，在電機(jī)軸尾部有一個高速的“速度編碼器”，在電機(jī)減速傳動的機(jī)械末端有一個低速的“位置編碼器”。根據(jù)編碼器的應(yīng)用特性，速度編碼器選用增量脈沖編碼器，脈沖頻率與速度對應(yīng)；位置編碼器選用絕對值編碼器（多圈量程），絕對值編碼器的編碼每一個位置唯一，無需計數(shù)器不擔(dān)心干擾與誤差累加，正好與位置環(huán)控制對應(yīng)。

這就是本文開頭提出的一個問題，雙編碼器閉環(huán)控制是怎么回事。

因為異步電機(jī)驅(qū)動沒有位置環(huán)，減速機(jī)的誤差與位置響應(yīng)延遲，異步伺服控制（或者變頻電機(jī)的位置環(huán)定位控制）需要有兩個編碼器，速度編碼器與位置編碼器是分開的（不同于同步電機(jī)），因為誤差累加，速度編碼器不可以用時間積分累加獲得位置環(huán)；因為傳動響應(yīng)延遲，位置環(huán)編碼器不可以對時間微分獲得速度環(huán)，控制精度不夠。

對于變頻電機(jī)，如果想只用一個編碼器既作為速度閉環(huán)，又作為位置閉環(huán)，那是徒勞的。當(dāng)只有一個編碼器時，或者是速度閉環(huán)，或者是位置閉環(huán)，而不能兼顧。

這便需要在兩個位置上安裝兩個編碼器，在變頻電機(jī)軸上（后部）是速度編碼器，在機(jī)械傳動末端安裝的第二編碼器是位置編碼器。

這種控制方式，為變頻電機(jī)、異步伺服控制的“雙編碼器閉環(huán)”模式。

典型的如風(fēng)力發(fā)電變槳葉控制，下圖為工博會上KEB驅(qū)動器P6展示的雙編碼器閉環(huán)控制原理圖。

雙編碼器閉環(huán)方案的優(yōu)勢

PLC+變頻器+編碼器的位置控制，變頻電機(jī)也是可以做好定位控制的。

在伺服電機(jī)還沒有大量普及的時候，普通電機(jī)+編碼器+PLC的位置閉環(huán)做定位就已經(jīng)有很多應(yīng)用了，在加入變頻器后，這種應(yīng)用更普及。鋼廠的氧槍定位、送料小車定位、轉(zhuǎn)爐傾動定位，在港口機(jī)械上的龍門吊起吊、雙鉤同步、大車行走同步糾偏，在注塑機(jī)上有開模合模定位等等大量的變頻器+編碼器+PLC的應(yīng)用實例。與同步伺服電機(jī)相比，就是速度響應(yīng)與精度的要求在提高。

從原理上講，一臺電機(jī)有四個輸出內(nèi)容——力量、速度、轉(zhuǎn)角位置，和浪費(fèi)的部分無用的空間電磁場、反向電動勢和熱損。異步電機(jī)（變頻電機(jī)）從一開始是一個力量輸出（功率、力矩）設(shè)備作為設(shè)計的，后來加入了變頻控制器可以調(diào)節(jié)速度。如果再加入機(jī)械末端位置編碼器進(jìn)PLC，可以通過PLC指令變頻器調(diào)節(jié)速度（減速控制）制動定位，位置閉環(huán)走的是“外環(huán)線”，位置閉環(huán)的好壞，取決于編碼器信號反饋到PLC，再指令輸出到變頻器的“時間延遲”（響應(yīng)）；和變頻器獲得指令后，執(zhí)行的減速制動定位的執(zhí)行力到位能力（精度）的差別。第一項如果變頻器內(nèi)置了PG卡有雙編碼器閉環(huán)方案，可以節(jié)省這樣的時間延遲性。如果編碼器信號出來是到PLC，PLC指令再到變頻器，那就要設(shè)計盡量快的信號傳輸方案，減少這種時間延遲。第二項變頻器的減速制動執(zhí)行力，這需要熟悉變頻器手冊的專家來告訴你，哪一種執(zhí)行力更好。方案取決于如何減少時間延遲（響應(yīng)）和如何提高變頻器減速與制動的執(zhí)行力（精度）。

雙編碼器閉環(huán)的方案，如果再加上矢量變頻控制，安裝在變頻電機(jī)上的速度編碼器信號進(jìn)矢量變頻，提高變頻器加減速的控制執(zhí)行力；安裝在機(jī)械傳動末端的位置編碼器信號進(jìn)PLC，可以提高位置控制精度與位置到位響應(yīng)。

回到本文開頭提出的問題，有人說“變頻電機(jī)做不好定位，要換同步伺服電機(jī)去做?！蹦鞘且驗橹挥昧艘粋€編碼器，想當(dāng)然地與同步伺服電機(jī)去比較，而變頻電機(jī)是異步驅(qū)動的，位置環(huán)不在電機(jī)上，是在“外環(huán)”上。

事實上，即使去換了同步伺服電機(jī)，雙編碼器閉環(huán)方案同樣適用于較大功率的同步伺服電機(jī)控制，如果用較大力矩輸出的減速機(jī)，減速機(jī)損失的精度與響應(yīng)的問題同樣存在，在低速負(fù)載端加裝第二編碼器（位置編碼器）同樣有必要。

多電機(jī)同步控制問題

多電機(jī)同步控制問題，是位置同步而不是速度同步。

在上面的討論中，我們已經(jīng)知道變頻電機(jī)是異步電機(jī)，速度環(huán)與位置環(huán)的控制是各自獨(dú)立的，需要兩個不同位置的編碼器做反饋。多電機(jī)的“同步”問題，需要先搞明白，用戶的題目要求：究竟是速度同步？還是位置同步？這是兩種不同的控制策略，它們的“同步”效果是不一樣的。而實際上大部分的多電機(jī)同步問題是位置同步要求，也就是電機(jī)角位移同步。當(dāng)計算時分割的每個時間段以及累加的時間段，多個電機(jī)的角位移始終控制在一個偏差范圍內(nèi)，這就是位置同步。這也就是說，變頻電機(jī)做同步應(yīng)該選裝第二編碼器，也就是位置編碼器作同步反饋信號。例如，輸送帶同步，升降機(jī)左右同步，變頻電機(jī)與伺服電機(jī)的動作同步。

速度編碼器與位置編碼器的選型注意事項

變頻電機(jī)的特別性，選型編碼器須注意事項：

1.電機(jī)功率大，啟動瞬間三相電壓不平衡較為普遍，瞬間產(chǎn)生偏向磁場的交流感應(yīng)電流沖擊造成編碼器的信號干擾與損壞。

2.電機(jī)大，驅(qū)動力強(qiáng)，啟動軸向竄動較大，編碼器軸機(jī)械沖量損傷。

3.在PLC+變頻器+編碼器的控制方案中，編碼器信號進(jìn)PLC的傳輸距離較長。

速度編碼器就是增量脈沖編碼器，一般以1024PPR的分辨率就足夠了。

速度編碼器應(yīng)選用帶有反相信號的增量編碼器。由于電機(jī)啟動瞬間的三相不平衡，會在空間產(chǎn)生離心的感應(yīng)磁場，并對編碼器有偏向的雙向交流電流耦合干擾與沖擊。單極性的直流集電極開路輸出模式，其在反向電流截止時能量堆積，難以經(jīng)受住長期的雙向交流感應(yīng)電流的沖擊，較容易損壞。而且信號很容易被干擾，因此變頻電機(jī)編碼器不建議選用集電極開路輸出信號的編碼器（不建議使用NPN或者PNP型）。

變頻電機(jī)編碼器建議選擇雙極性的輸出模式編碼器（A+A-B+B-Z+Z-），對應(yīng)于雙向感應(yīng)電流都有對0V的輸出通道將感應(yīng)沖擊能量轉(zhuǎn)走。沒有沖擊能量堆積而不太容易損壞編碼器電路。同時，編碼器的工作電壓范圍應(yīng)該較寬，電源應(yīng)帶有反極性保護(hù)，信號線帶有短路保護(hù)，以對應(yīng)變頻電機(jī)啟動時雙向的交流耦合沖擊。

另外，帶有反相信號的雙極性信號在雙絞線上對于外部感應(yīng)是共模的，可以在接收端用差分平衡方式消除，信號抗干擾強(qiáng)，也易于較遠(yuǎn)距離的信號傳輸。編碼器信號傳輸距離參數(shù)應(yīng)該選至少大于50米，這并不是實際現(xiàn)場也許只有幾米就不需要看此參數(shù)，而是變頻電機(jī)用的編碼器，信號傳輸時的抗干擾能力要求比伺服電機(jī)高，可查看選用的編碼器參數(shù)。

位置編碼器應(yīng)選用絕對值多圈編碼器。變頻電機(jī)往往功率較大，現(xiàn)場干擾環(huán)境復(fù)雜，增量脈沖信號依賴于計數(shù)器，很容易計數(shù)時被干擾到而誤差累加，包括用電池的或者用韋根脈沖計數(shù)器的偽絕對多圈計數(shù)器型，也很容易圈數(shù)計數(shù)時被干擾到而出現(xiàn)跳圈位置錯誤。前面介紹的在風(fēng)力發(fā)電變槳葉雙編碼器閉環(huán)控制上，已有大量的進(jìn)口品牌電子計圈式偽多圈絕對式編碼器，因故障太多而被換了下來。因此，變頻電機(jī)（異步伺服控制）應(yīng)該選用機(jī)械齒輪箱式絕對值多圈編碼器。如果編碼器信號直接進(jìn)變頻器，一般以SSI信號進(jìn)變頻器（該變頻器要有雙編碼器閉環(huán)方案）。例如，典型的如風(fēng)力發(fā)電的變槳葉控制。如果是進(jìn)PLC，或者以總線信號、以太網(wǎng)信號進(jìn)PLC，例如Canopen、profibus-DP、profinet。

總線型以太網(wǎng)EtherCat信號由于有同步時間戳特征，可以進(jìn)PLC也可以進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，在做多電機(jī)同步控制的效果最佳，尤其是不同類型的電機(jī)同步控制，例如變頻電機(jī)與伺服電機(jī)的同步動作，可提高多電機(jī)同步聯(lián)動的效率。