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

但是,用戶經(jīng)常會有這樣那樣的問題出現(xiàn)：

變頻電機為什么要裝編碼器?

不裝編碼器也行嗎?

 

變頻電機裝了編碼器，就是可以作為異步伺服控制了？就可以做定位控制了嗎?

有些變頻電機控制不僅裝了一個編碼器，還有雙編碼器閉環(huán)，是怎么回事？

 

有人說，“變頻電機做不好定位的，也做不好同步，要做同步控制就要換同步伺服電機”?

變頻電機的編碼器信號經(jīng)常被干擾，也很容易壞，該怎么選編碼器呢？

本文先與大家討論一下變頻電機為什么要裝編碼器這個問題。

 

一、基本概念

變頻電機驅(qū)動沒有位置環(huán)。變頻電機上的編碼器是“速度編碼器”，是為精確計算電機反電動勢的速度反饋。電機反電動勢與電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。

 

由于伺服電機的普及使用，現(xiàn)在很多控制的思路都會向伺服電機比較與衡量，盡管變頻控制早于伺服控制。伺服電機的控制是位置環(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。而在變頻電機驅(qū)動是異步的，有時也稱為異步電機，即使加上電機后部編碼器的反饋，它也只有速度環(huán)，沒有在電機驅(qū)動上的“位置環(huán)”，因此這個編碼器就是“速度編碼器”。

變頻電機編碼器作為速度編碼器，它主要的目的是作為電機轉(zhuǎn)子反電動勢的計算，以達到對應(yīng)當前電機反電動勢的精準驅(qū)動控制。

 

當驅(qū)動電流啟動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，根據(jù)電磁定律，當磁場變化時，附近的導體會產(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：

電機驅(qū)動器送出的電能=機械能（驅(qū)動電流與反電動勢平衡）+損耗（電機電流阻抗熱損、機械阻力、配阻箱熱損等）。

 

電機在啟動加速時，必須達到驅(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。

 

每臺電機有各自的特性常數(shù)，反電動勢與電機轉(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，編碼器信號反饋給變頻驅(qū)動器，計算出當前的電機反電動勢，變頻驅(qū)動器給出合理的控制電流。

 

當編碼器反饋給變頻器的信號計算出電機轉(zhuǎn)速偏低，遠低于設(shè)計的對應(yīng)驅(qū)動電流下電機應(yīng)該達到的旋轉(zhuǎn)速度，此時稱為電機驅(qū)動“失速”，變頻電機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），此時電機線圈電阻抗低，電流增大而電機發(fā)燙，或者變頻器電流偏大，有可能就會燒損電機或者變頻器，這時需要失速保護，而停止電機驅(qū)動。

 

對應(yīng)這種可能出現(xiàn)的變頻電機失速，早期常用的方法就是把電機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。這就造成電機設(shè)計的體積大，變頻器效率低的浪費。而且在電機驅(qū)動加速時浪費了很多能量在熱損上。

 

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

 

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

 

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

 

二、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。電機驅(qū)動的勢能保持對反電動勢的勢能為正時，是加速。

電機驅(qū)動的勢能保持對反電動勢的勢能為負時，是減速。

 

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

 

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)電機力矩，矢量控制對應(yīng)電機力矩控制的執(zhí)行力。如果要達到矢量控制的精準性，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。

 

也有電機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，這就是說在電機啟動低速時，和電機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)行精準度。

 

回到本文開頭的問題，變頻電機不裝編碼器也行嗎？

當然可以。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。而電機能耗在電機啟動加速（低速）時最大，電機與變頻器的故障損壞在電機啟動加速( 低速時) 占50%以上。

 

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

 

前面討論了，異步電機不同于同步電機，在異步電機驅(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可行，在異步電機不可行——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到了每秒誤差的一千倍?。?7分鐘）。為此，在有的異步電機控制器里，用電機上安裝的編碼器直接做位置閉環(huán)計算，而不用速度環(huán)的積分得到電機位置，但這又遇到了另一個問題——實際要求的工藝端在機械傳動末端，機械傳動與減速機的誤差與延遲影響位置控制執(zhí)行力問題。

 

精密減速機問題

減速機的作用是一個杠桿原理，在減速機(支點）的輸入端，用較小的力（用較小功率的電機）走較多的路（減速前電機轉(zhuǎn)速高，走的圈數(shù)多），通過減速機的減速比，使得杠桿支點的另一端減速機輸出端旋轉(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。但是使用減速機不僅僅是杠桿減速比這么簡單，它同時也帶來了機械精度損失、機械磨損、機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，以及減速機輸入輸出時間響應(yīng)的損失。

 

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

 

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

 

這樣，在電機軸尾部有一個高速的“速度編碼器”，在電機減速傳動的機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。

 

因為異步電機驅(qū)動沒有位置環(huán)，減速機的誤差與位置響應(yīng)延遲，異步伺服控制（或者變頻電機的位置環(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），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，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。

需要在兩個位置上安裝兩個編碼器，在變頻電機軸上（后部）是速度編碼器，在機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、異步伺服控制的“雙編碼器閉環(huán)”模式。

 

典型的如風力發(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

四、PLC+變頻器+編碼器的位置控制，變頻電機也是可以做得好定位控制的。

在伺服電機還沒有大量普及的時候，普通電機+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，在港口機械上的龍門吊起吊、雙鉤同步、大車行走同步糾偏，在注塑機上有開模合模定位，等等大量的變頻器+編碼器+PLC的應(yīng)用實例。與同步伺服電機相比，就是速度響應(yīng)與精度的要求在提高。

港口機械的自動化定位控制

 

從原理上講，一臺電機有四個輸出內(nèi)容----力量、速度、轉(zhuǎn)角位置，和浪費的部分-無用的空間電磁場、反向電動勢和熱損。異步電機（變頻電機）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。如果再加入機械末端位置編碼器進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”，做的位置閉環(huán)好不好，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，安裝在變頻電機上的速度編碼器信號進矢量變頻，提高變頻器加減速的控制執(zhí)行力；安裝在機械傳動末端的位置編碼器信號進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"變頻電機做不好定位，要換同步伺服電機去做“，那是因為只用了一個編碼器，想當然的與同步伺服電機去比較，而變頻電機是異步驅(qū)動的，位置環(huán)不在電機上，是在”外環(huán)“上。

 

事實上，即使去換了同步伺服電機，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控制，如果用較大力矩輸出的減速機，減速機損失的精度與響應(yīng)的問題同樣存在，在低速負載端加裝第二編碼器（位置編碼器）同樣的有必要。

展會上出現(xiàn)的低速端加裝第二編碼器的伺服控制系統(tǒng)。

 

五、多電機同步控制問題，是位置同步而不是速度同步

在上面的討論中，我們已經(jīng)知道變頻電機是異步電機，速度環(huán)與位置環(huán)的控制是各自獨立的，需要兩個不同位置的編碼器做反饋。多電機的“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同步問題是位置同步要求，也就是電機角位移同步。當計算時分割的每個時間段以及累加的時間段，多個電機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，升降機左右同步，變頻電機與伺服電機的動作同步。

有關(guān)多電機的同步控制，以后會有文章再與大家一起專門討論。

 

六、速度編碼器與位置編碼器的選型注意事項

變頻電機的特別性，選型編碼器須注意事項：

1，電機功率大，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，電機大，驅(qū)動力強，啟動軸向竄動較大，編碼器軸機械沖量損傷。

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，信號線帶有短路保護，以對應(yīng)變頻電機啟動時雙向的交流耦合沖擊。

增量脈沖信號編碼器，輸出信號為5--24V的雙向的A+A-B+B-,

 

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，也易于較遠距離的信號傳輸。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)，而是變頻電機用的編碼器，信號傳輸時的抗干擾能力要求比伺服電機高，可查看選用的編碼器參數(shù)。

有關(guān)編碼器信號傳輸電纜的選擇，請看我前面的另一篇文章。

有關(guān)編碼器信號電纜與傳輸抗干擾的十個問題討論

 

位置編碼器應(yīng)選用絕對值多圈編碼器。變頻電機往往功率較大，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。前面介紹的在風力發(fā)電變槳葉雙編碼器閉環(huán)控制上，已有大量的進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（異步伺服控制）應(yīng)該選用機械齒輪箱式絕對值多圈編碼器。如果編碼器信號直接進變頻器，一般以SSI信號進變頻器（該變頻器要有雙編碼器閉環(huán)方案）。例如，典型的如風力發(fā)電的變槳葉控制。如果是進PLC，或者以總線信號、以太網(wǎng)信號進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PLC也可以進電機驅(qū)動器，在做多電機同步控制的效果最佳，尤其是不同類型的電機同步控制，例如變頻電機與伺服電機的同步動作，可提高多電機同步聯(lián)動的效率。