產(chǎn)品頻道

緊湊、耐用并滿足SIL 3安全要求

機(jī)床、機(jī)器人和一般自動(dòng)化系統(tǒng)的用戶對(duì)高性能及低成本的要求在不斷提高。這需要使用高動(dòng)態(tài)性能、結(jié)構(gòu)緊湊和能效高并有安全功能的驅(qū)動(dòng)。由于不同應(yīng)用的要求不盡相同，安全功能的編碼器不僅是高端機(jī)床驅(qū)動(dòng)所需，也是一般應(yīng)用所需。海德漢推出的第3代無(wú)內(nèi)置軸承ECI/EQI 1100系列37 mm直徑的感應(yīng)掃描的旋轉(zhuǎn)編碼器能滿足高安全應(yīng)用對(duì)高動(dòng)態(tài)性能和節(jié)能型伺服驅(qū)動(dòng)的要求。

圖1：ECI 1119 / EQI 1131 FS – 37 mm直徑的感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器

新一代感應(yīng)掃描技術(shù)

海德漢最新成功開(kāi)發(fā)的ASIC芯片為直徑37mm的感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器提供了安全功能。該編碼器的安全性能達(dá)到SIL 2，3級(jí)PL d。如果為控制系統(tǒng)增加一些措施，安全性能甚至能達(dá)到SIL 3，4級(jí)PL e。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械防松功能，它能避免軸和聯(lián)軸器的松動(dòng)。

而且，系統(tǒng)精度比上一代產(chǎn)品提高兩倍，達(dá)到± 120角秒。由于這些編碼器采用對(duì)污染不敏感的感應(yīng)掃描原理，因此具有較高耐用性特點(diǎn)。全新感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器ECI 1119 FS（單圈）和EQI 1131 FS（多圈）還兼容ECN/EQN 11xx FS系列內(nèi)置軸承光學(xué)掃描旋轉(zhuǎn)編碼器。該編碼器在機(jī)械和電氣方面的兼容性確保了它能為應(yīng)用的控制要求提供所需可擴(kuò)展性，因此能最大限度減少電機(jī)型號(hào)數(shù)量。

與上代產(chǎn)品相比，特別是被顯著放寬的機(jī)械允許公差，例如允許的軸向竄動(dòng)量放寬了2倍。為簡(jiǎn)化機(jī)械安裝的檢查，編碼器生成一個(gè)代表配合尺寸的數(shù)值，伺服變頻器通過(guò)EnDat接口能讀取該值。全新感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器還有編碼器溫度和電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)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(cè)量溫度。旋轉(zhuǎn)編碼器處理這兩路溫度傳感器信號(hào)，而且不中斷控制環(huán)工作，后續(xù)電子電路通過(guò)EnDat 2.2接口用數(shù)字方式讀取該數(shù)據(jù)。

比較光學(xué)掃描編碼器的控制質(zhì)量

下面我們以實(shí)際電機(jī)為例比較新一代感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器與上一代編碼器及光學(xué)掃描的EQN 1135旋轉(zhuǎn)編碼器。為確保電機(jī)影響最小，我們選擇扭矩波動(dòng)極小的電機(jī)進(jìn)行測(cè)量。 在電機(jī)的輸出軸處安裝高精度角度編碼器（測(cè)量精度優(yōu)于± 1角秒），用于評(píng)估驅(qū)動(dòng)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(píng)估能否適應(yīng)特定應(yīng)用要求的重要條件。圖2是三種編碼器的精度記錄。與EQI 1130相比，全新EQI 1131感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器的短行程測(cè)量誤差明顯減小。正如預(yù)期，光學(xué)掃描的EQN 1135旋轉(zhuǎn)編碼器的精度最高。

圖2：感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器與光學(xué)掃描旋轉(zhuǎn)編碼器單圈轉(zhuǎn)動(dòng)的典型精度測(cè)量值

控制環(huán)的動(dòng)態(tài)性能

控制環(huán)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試采用電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速和位置級(jí)聯(lián)控制方式。為保持比較好的兼容性，所有被測(cè)編碼器都用相同的控制參數(shù)設(shè)置（控制周期時(shí)間100 µs，速度控制單元比例增益1400 1/s）。圖3顯示三種編碼器速度控制閉環(huán)的幅值頻率響應(yīng)（伯德圖）。采用這三種編碼器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制帶寬都達(dá)到大約600 Hz。未檢測(cè)到諧振點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)性能只取決于控制單元的參數(shù)設(shè)置。海德漢旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)的大帶寬讓系統(tǒng)擁有了更高性能，整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)性能不再受編碼器制約，只是受復(fù)雜控制路徑的制約。

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

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

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

在驅(qū)動(dòng)中，分辨率不足體現(xiàn)在被測(cè)速度的量化誤差上。量化誤差主要發(fā)生在高頻處，這是因?yàn)樗俣仁牵炕┪灰频膶?dǎo)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(dǎo)致電機(jī)的力和扭矩變化，進(jìn)而觸發(fā)機(jī)械共振頻率，還表現(xiàn)為誤差擴(kuò)散。而且，也造成電機(jī)損耗的增加，影響能耗。因此，較高的位置分辨率是高動(dòng)態(tài)性能驅(qū)動(dòng)的必然選擇。

位置控制環(huán)的位置誤差

根據(jù)應(yīng)用任務(wù)，旋轉(zhuǎn)編碼器的精度及/或重復(fù)精度都關(guān)系到定位精度。名義位置附近的位置誤差是因?yàn)轵?qū)動(dòng)系統(tǒng)存在誤差和被測(cè)對(duì)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(gè)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(shí)際值測(cè)量誤差將被帶入到控制環(huán)中。為保證在定位模式中達(dá)到最高性能，也需要用海德漢公司提供的信號(hào)質(zhì)量最好的編碼器。

編碼器信號(hào)誤差對(duì)于保持電機(jī)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(shí)際值偏差。閉環(huán)控制通過(guò)扭矩設(shè)置使電機(jī)在所需位置附近進(jìn)行微量運(yùn)動(dòng)以盡可能補(bǔ)償這些偏差。這些運(yùn)動(dòng)如圖5所示。正如預(yù)計(jì)，由于光學(xué)掃描編碼器的有效分辨率最高，因此表現(xiàn)最好。

圖5：感應(yīng)式和光學(xué)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(kāi)發(fā)的第3代感應(yīng)式多圈旋轉(zhuǎn)編碼器ExI 11xx幫助用戶在一個(gè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)最高達(dá)SIL 3級(jí)的功能安全系統(tǒng)。其機(jī)械（安裝）及電氣（EnDat 2.2接口）與ExN 11xx光學(xué)掃描旋轉(zhuǎn)編碼器兼容，因此事實(shí)上可應(yīng)用于所有已有應(yīng)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(dòng)態(tài)性能，高效率，堅(jiān)固的設(shè)計(jì)和允許的安裝公差大。

詳細(xì)信息表

表1：旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)比