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淺談正弦波光柵編碼器在交流永磁同步電機上的應用

文：長春禹衡光學有限公司│孟憲強│陸軍升2014年第六期

1978年德國漢諾威貿易博覽會上，MAC永磁交流伺服電動機和驅動系統(tǒng)的正式推出，標志著新一代交流伺服技術進入了實用化階段。隨著驅動器和電機技術的發(fā)展，經過一段時間的積累，電機的位置和速度控制技術已達到很高精度，此前，通常使用的2500P/r光柵編碼器即可滿足需求，但隨著用戶對使用精度要求的不斷提高，對光柵編碼器的輸出脈沖數(shù)也越來越高的要求，雖然目前最高已達8192P/r，但由于受到硬件傳輸帶寬（1MHz）的限制，這種超高脈沖光柵編碼器仍無法滿足在較高精度要求的額定轉速較高的伺服電機上的應用需求。

為解決硬件傳輸帶寬問題，正弦波光柵編碼器應運而生，如圖1所示的這種光柵編碼器包含兩路相位差為90°的2048個A,B正弦波信號，一個零位信號，以及每轉輸出一個脈沖的相位差為90°的C,D正余弦信號。

正弦波光柵編碼器信號經驅動器接收后，在內部進行高倍細分以滿足高控制精度的需求。長春禹衡光學有限公司（以下簡稱禹衡光學）研發(fā)的ZND系列正弦波光柵編碼器由于采用了濾波狹縫設計和高精度光柵及高精度軸系，保證了如圖2所示的諧波分量小于1%的高質量正弦信號。

A，B信號細分位數(shù)可達10位以上，經驅動器接收后細分可達2048x1024=2097152，相當于21位光柵編碼器，大大提高了機床的加工精度，加工后零件形狀誤差和表面粗糙度大大降低。

另一方面，系統(tǒng)可根據(jù)不同的應用需求在高低速運行時對正弦波分別設置不同的細分倍數(shù)。可以在低速時設置較高的細分倍數(shù)，以保證在低速運行狀態(tài)下的精確定位；在高速時將細分倍頻數(shù)適當降低，提高了系統(tǒng)對電機控制的實時性和運行的穩(wěn)定性，同時降低了對系統(tǒng)的要求，這在一些特殊應用領域非常重要。

ZND系列正弦波光柵編碼器的C,D正余弦信號的插值位數(shù)可達到9位，相當于9位絕對值光柵編碼器，系統(tǒng)細分數(shù)達到512，可以對電機磁極進行更精確定位，分辨角度達到360°/512=0.7°；而使用U，V，W方波信號進行定位的光柵編碼器，當電機磁極對數(shù)為10對極時，其定位精度僅為6°，可見，正弦波光柵編碼器對磁極信號的定位精度遠高于使用U，V，W方波信號的光柵編碼器。這就使在電機驅動器掉電重啟瞬間，電機的初始輸出力矩有較大提高，大大提高了電機性能。由于正弦波光柵編碼器附帶的C.D信號相當于絕對值信號，可以對應不同磁極對數(shù)的電機，達到電機與光柵編碼器自適應的目的。

所以，使用正弦波光柵編碼器，不再需要像使用帶有U，V，W信號的方波光柵編碼器那樣，必須與電機的磁極對數(shù)相匹配，這就避免了方波光柵編碼器對電機廠商新產品電機開發(fā)時磁極變化的束縛，方便了電機廠商的新產品開發(fā)和光柵編碼器備貨。

正弦波光柵編碼器還可應用于電梯行業(yè)的交流永磁同步曳引機上。如今，人們對電梯啟動和停止階段舒適性的要求越來越高，這就要求曳引機的加速度曲線更加平滑，進而對光柵編碼器分辨力也提出了更高的要求。而正弦波光柵編碼器正適合這種要求，細分后相當于21位光柵編碼器的分辨力是普通方波光柵編碼器所無法比擬的。

同時，為適應電機高轉速需求，禹衡光學通過高精度零部件的加工和優(yōu)化后的裝配方式，制造了高精度軸系，最大限度減小了高速旋轉過程中光柵編碼器自身的偏擺，保證了光柵編碼器在8000轉/分鐘以上高速情況下的使用壽命。

另外禹衡光學將光柵編碼器主軸與電機的聯(lián)接部分制做成如圖3所示1:10外錐軸：

一方面錐軸聯(lián)接是靠如圖4壓緊兩主軸錐面的真空吸力保證電機高轉速時光柵編碼器主軸與電機軸固定的可靠性，同時最大限度的減小了光柵編碼器主軸與電機主軸間的安裝誤差，保證了聯(lián)接后光柵編碼器主軸與電機主軸同軸度最小，進一步減小了運轉時光柵編碼器本體的偏擺足夠小，以避免光柵編碼器與電機間的聯(lián)接板由于擺動過大造成斷裂；

另一方面由于采用外錐軸聯(lián)接，避免了以往光柵編碼器采用內錐軸聯(lián)接時，由于光柵編碼器主軸安裝在電機主軸時對螺絲擰緊力矩控制不準，造成安裝過緊時，對由于錐軸的外擴作用，造成與軸承結合處主軸尺寸變大，光柵編碼器的預緊力變得過大，造成光柵編碼器軸系抱死。而當擔心安裝螺絲擰緊力矩過大造成使用不良而導致安裝螺絲擰緊力矩過小時，容易造成光柵編碼器主軸安裝過松，使用過程中容易造成固定不牢打滑磨損現(xiàn)象。而采用外錐軸避免了內錐軸變形對光柵編碼器軸系的破壞，即使安裝光柵編碼器主軸的螺絲擰緊力矩過大也不會造成使用不良，大大提高了光柵編碼器聯(lián)接的可靠性。

除此之外，禹衡光學的ZND系列正弦波光柵編碼器采用了發(fā)光管反饋補償控制技術，避免了溫度變化及發(fā)光管老化對光電接收器接收電流的影響，保證信號的穩(wěn)定性，極大提高了光柵編碼器的可靠性。