編碼器工作特性對電機工作性能的影響

為什么市場上有如此多的不同角度編碼器？為什么使用不同的掃描和測量方式？設計工程師應選擇哪一種解決方案？海德漢的演示裝置通過選用四種不同角度編碼器，明確地回答這些問題。

演示裝置十分簡單：四個不同的角度編碼器安裝在ETEL的TMB+力矩電機上：

海德漢RCN 8311絕對式角度編碼器是一款典型的封閉式角度編碼器，用于精密機床的回轉工作臺和擺動銑頭

海德漢ECA 4410絕對式角度編碼器是一款典型的鋼鼓模塊型角度編碼器，用于精密機床的大直徑軸回轉工作臺和擺動銑頭。

海德漢ECM 2410絕對式磁柵編碼器是一款耐污性能優異的模塊型角度編碼器

AMO的WMxA 1010編碼器是一款典型的鋼帶版絕對式感應編碼器，用于對緊湊型、抗污性能要求高并需要靈活安裝的應用。

 演示裝置的剖面圖顯示不同角度編碼器的位置。

演示裝置采用海德漢TNC 640數控系統，仿真各角度編碼器的定位運動，分析信號質量對動態性能的影響和測量原理對精度的影響。演示裝置還能顯示智能地使用整個系統數據提高工藝可靠性的潛力，整個系統包括電機、角度編碼器和傳感器連接盒。

信號質量：決定表面質量的重要因素

在直驅電機中，編碼器的信號質量直接關系到電流噪音的大小，因此顯著影響動態性能潛力和增加電機的功率損失。噪音是細分誤差的負效應，影響運動軸的動態性能潛力。細分誤差導致位置值快速變化和速度計算誤差。反過來又進一步加大電流噪音。為避免驅動系統不穩定，只能減小控制環增益，降低動態性能，才能抵消噪音的加大。

噪音還影響電機的溫度特性。噪音低可降低功率損失，進而降低電機溫度，相反，噪音大，增加電機功率消耗，因此顯著增加電機溫度。

電機的溫度特性：左圖為溫度分布圖，由該圖可見位置控制環采用光學掃描角度編碼器時的電機溫度較低。非光學掃描的角度編碼器導致溫度較高，如右圖所示。

在比較不同編碼器中，明顯可見溫度特性的不同。光學編碼器噪音小且保持穩定，而磁柵和感應式編碼器的噪音較大，非均勻噪音較大，使用低通濾波器后噪音也依然較大。因此，光學編碼器是電機達到高性能和達到高表面質量的理想選擇。

演示裝置中不同角度編碼器的噪音比較。

實際位置與理論位置

根據ISO 230-2標準，測量回轉工作臺的定位精度，以此評估回轉工作臺實際位置與理論位置間的相符程度。為此，將回轉工作臺進行五次順時針和五次逆時針回轉，每圈測量十二個點，相鄰測量點間相距30°。

評估編碼器的主要指標是參數A，即定位運動的雙向精度，參數M，也即平均雙向定位偏差的范圍。參數A相當于角度編碼器的系統精度和參數M相當于分度精度，這兩個參數都考慮應用誤差。

雙向定位精度和平均雙向定位偏差范圍：RCN和ECA光學角度編碼器的實際位置與理想位置之間的偏差明顯小于磁柵（ECM）和感應式（WMxA）角度編碼器的偏差。

要在指定的最高運動速度下評估可達到的輪廓精度，海德漢的精度指標不僅包括ISO 230-2標準要求，還包括動態定位精度（由字母D表示）。根據ISO 230-2標準，回轉工作臺順時針旋轉五圈，逆時針旋轉五圈，再次進行測量。但是這次，用5 kHz的連續掃描頻率和20 rpm的旋轉速度進行測量。

用可達到的輪廓精度測量動態位置精度，從中可見WMxA感應式角度編碼器的偏差較大。這種偏差的原因在于感應掃描方式導致精度隨轉速而變化。相反，RCN和ECA光學編碼器與其完全不同，在理論位置與實際位置之間幾乎沒有偏差。ECM磁柵編碼器沒有嚴重偏差，性能居中。

動態定位精度是可達到的輪廓精度參數之一，感應式角度編碼器的偏差較大。

偏差較大的原因在于感應掃描方式本身，其精度與轉速相關，順時針與逆時針測量之間存在嚴重跳躍。

智能電機保護，提高加工過程可靠性

力矩電機，例如演示裝置中使用的ETEL電機，不僅結構緊湊而且性能卓越。但是，在部分加工條件下，如果繞組中的電流不對稱分布，溫度可能過高，導致一組繞組的溫度突然升高。將位于應用附近的溫度傳感器的溫度數據數字化，并將溫度數據提供給數控系統，智能地保護電機，提高過程可靠性。特別是溫度信息可用性的改善有效提高加工過程可靠性和工作效率。

海德漢EIB 5200傳感器連接盒監測電機的全部三組繞組，提供溫度數據并使其立即使用。連接盒位于電機附近，處在角度編碼器與機床數控系統之間。如果已經確定和保存了電機的溫度模型，例如ETEL力矩電機，這款傳感器連接盒可以快速發現溫度的突然上升，因此能避免電機繞組損壞和保護電機，避免過熱。

在加工過程中，海德漢EIB 5200傳感器連接盒智能地保護電機。電纜連接簡潔和電機系統的附加數據立即可用。

選擇正確的編碼器和智能地使用在加工過程中可用的不同數據關系到加工過程的可靠性、穩定性和精度。確定不同型號編碼器所特有的工作特性能幫助設計工程師和開發人員選擇正確的角度編碼器，滿足應用要求。最后，選擇正確編碼器不僅關系到動態性能和精度，設計工程師和開發人員也必須考慮相關因素，例如轉軸直徑和安裝方式，當然也必須考慮經濟性。