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伺服编码器的分辨率与精度的不同——电梯伺服编码器ERN1387的分析

2018/9/3 10:43:35 标签:中国传动网

编码器的分辨率,是指编码器可读取并输出的最小角度变化,对应的参数有:线(line),一般是指编码器的码盘的光学刻线,如果编码器是直接方波输出的,它就是每转脉冲数(PPR)了, 但如果是正余弦(sin/cos)信号输出的,是可以通过信号模拟量变化电子细分,获得更多的方波脉冲PPR输出,编码器的方波输出有A相与B相,相差1/4个脉冲周期变化,可以获得1/4脉冲周期的变化步距(4倍频),这就是最小测量步距(Step)了,所以,严格地讲,最小测量步距就是编码器的分辨率。有时描述编码器分辨率用多少位(Bit),就是以最小可分辨步距的2的幂次方,例如2048个AB方波脉冲,可经过四倍频,获得相当于8192个分割最小步距,也就是13位。
 
编码器的精度,是指编码器输出的信号数据对测量的真实角度的准确度,对应的精度参数是角分(′)、角秒(″)。 
 
编码器的分辨率与精度完全是两个不同的概念。所谓高位数分辨率的编码器,并不代表精度也高。
 
伺服编码器的高分辨率一般都是由模拟信号再细分获得。
伺服编码器的精度偏差有多个部分组成:
第1组,机械轴系和安装偏差;编码器单圈圆周的偏差;如果伺服电机有传动启动负载,还有传动误差。当有传动偏差引入,重复精度失去意义,不再重复。
第2组,多信号周期编码器的单信号偏差、噪音、细分引入的电子误差。
细分无法提高第1组机械轴系和安装的精度,也无法提高编码器单圈圆周的精度。
细分可以提高第2组的精度应用,当细分后的最小步距接近于单信号周期精度范围,细分是可以充分利用信号精度获得更好的伺服动态特性;当细分过度后的最小步距已经小于单信号周期偏差范围和噪音范围,再细分已经没有意义了,这将引入更多的噪音,使信号紊乱。
通过低通滤波,可以用多次采样取平均值的做法,在低速时显得编码器输出数字步距小而没有噪音抖动,在低速及停止时可以获得较小的伺服脉动步距,看似很好看(瞒天过海此一招)。但那是牺牲了采样期间的时间为代价的(几个Hz),这个时间间隔内编码器已经转动了一定的角度,滤波获得的平均值实际上已经还有一个延时角度误差的引入。这样的低通滤波仅对于低速测量及较小的脉动步距稳定性有效,或者停下来好看一点,对于运动起来的伺服控制已没有了意义。
 
 一般的理解,伺服编码器的精度与伺服控制位置环有关,而分辨率作用于伺服控制的速度环。在测量系统中,所谓的“瞬时速度”是没有的,只是时间间隔越短,就越接近于“瞬时”,而越接近于“瞬时速度”的控制,“动态特性”与“刚性”控制就越好,高速时的瞬时特征也越就明显。
变化的位置/单位时间=速度;变化的速度 /单位时间=加速度;
变化的加速度/单位时间=加加速度,,,
低速中,单信号周期的偏差对于速度稳定性起决定性作用。高速中,以及在变化的加速度中,编码器的系统偏差和单信号周期的偏差对于变化的加速度稳定性起决定性的作用。
以牛顿第二定律来言:F=kma ;           F=力;m=质量;k=惯性常数;a=加速度
电机输出变化的力矩与电机变化的加速度对应。显然,我们的速度计算就要求时间间隔尽量的短,那么,分辨率的提高,对于越短时间里取得位置变化采样就要多,而且越是高阶的求导,这个时间间隔越要短,而采样的位置变化要多,这个就求助于“高分辨率”了,所以高分辨率对于速度环和加速度环的贡献是很明显的。
 
但是,精度误差在高阶的计算中,也是按级数增加的,当精度误差与采样分辨率的比例达到一定时,在高价的计算中就急剧上升,如再加上控制的机械响应(弹性振荡)误差的增加,其反应的就是变化加速度计算的对应电机电流的控制误差--电流控制紊乱,无功热耗,电机发烫,电机的加速度不平稳了。实际上此时的伺服“动态特性”已经是虚的了。由此,高精度编码器对于速度环,尤其是高阶的动态特性,实际上比分辨率更加的重要。
分辨率可以不断的细分上去,而“精度”是无法通过细分提高,甚至带来更大的噪音误差。
 
 经验证明,高分辨率反馈对低速下的速度和位置闭环刚度和稳定性贡献非常显著,但编码器信号质量欠佳,导致一个正余弦信号周期内的细分均匀性变差时,高速下的速度稳定性反而为其所累。
 
抓典型,分析一个电梯伺服编码器ERN1387,说明一下分辨率与精度的作用
 
高层建筑中的每一部电梯就有一颗编码器,控制电梯运行的速度、加速度和保证乘客坐电梯上上下下的舒适度,快速平稳启动、连续加速、柔和制动、快速准确到达楼层,无任何不适感。
在这些高层电梯中,目前大部分都已经用上了较先进的永磁同步力矩电机直接驱动。永磁同步力矩电机以其体积小、输出力矩大、效能高的直接驱动模式,而在电梯应用中占得技术领先地位,被广为使用。而这种永磁同步力矩电机也是伺服电机的一种,都需要配有一颗编码器作信号反馈,十多年来这个规格编码器超过半数为德国海德汉的ERN1387独占市场,每年新增数十万个,全国保有量数百万个的ENR1387独步电梯伺服编码器武林十五年,几无对手!另有少量为日本多摩川的类似产品也是在后来才进入,其他品牌少有进入这个市场,少有国产化编码器能够进入到这个市场。作为电梯曳引机厂家曾经多方寻求打破德国海德汉ERN1387的垄断,希望有更多厂商可以供货形成价格竞争而降低成本,甚至有国产化编码器可以替代。但是,其他各个品牌(包括一些著名外资品牌)编码器的替代试用,由于种种技术上原因无法达到用户使用要求,各种替换的尝试都没有形成规模。ERN1387究竟有什么独门武器?
那我们先来看一下同步伺服电梯曳引机:
早期的电梯曳引机为异步电机,通过减速机带动电梯卷扬提升钢丝绳,整体体积大运行速度慢,功率效能在减速机上损失较大。较为先进的曳引机使用了永磁同步力矩电机,没有减速机的效能损耗,直接驱动电梯卷扬提升钢丝绳,这也是伺服电机的一种,伺服电机就需要加装编码器反馈,以作为位置、速度和加速度力矩环的信号反馈。伺服编码器ERN1387安装于电机中心轴。
然后我们再来看看这颗ERN1387: 
1,机械安装特点:
ERN1387转轴为一个锥形通孔轴插入电机轴安装,编码器锥轴面紧贴电机轴锥形面刚性连接,将编码器后盖打开,用一个螺丝穿过编码器转轴通孔与电机轴拧紧固定。当螺丝拧紧时,编码器底座上一个顶针受电机侧安装面顶压,涨开编码器的涨固圈,与电机侧圆形固定面卡紧固定。涨固圈是一个平面弹簧,允许安装有一定的公差范围和弹性,并且消除电机振动对编码器的机械损伤。
这样特殊的安装方式,用户仅需一个螺丝固定编码器,而编码器的转轴与电机的转轴是直接刚性连接的,没有用联轴器而避免了角度偏差损失,可以方便保证最佳机械安装精度。
2,参数信号输出特点:
ERN1387为光学码盘式工作原理,输出1Vpp的ABCDZ五个正余弦信号组,见下图。
其中,AB为2048个脉冲的正余弦信号;CD为每圈一个周期的正余弦信号;Z(或称为R)为每圈一个零位信号,便于运动中快速给AB增量信号计数提供零位参考。
3,信号后部的细分及用途
伺服电机换向信号由CD(C-D-)提供,在光学码盘有四个单周变化的刻轨,1KΩ电阻时的典型信号幅值为1Vpp。后续电子电路的输入电路与1Vpp接口相同,要求终端电阻Z0为1KΩ而不是120Ω。
 
ERN1387的AB信号为2048个脉冲周期的正余弦信号,信号可经电缆传输150米,在后续电子设备中再经过细分5~10位,获得更高的分辨率。由于正余弦信号是单一频率的电磁波,在传输中仅对其接近频段的干扰波敏感,而对于大部分干扰波并不敏感,在后续电路接收经过一次差分后再细分,可以滤去干扰杂波。
4,编码器精度的极致体现
ERN1387的系统精度是20角秒;
ABCD正余弦信号的波形偏差小于1%。这些信号适用于100倍的锁相环(PLL)细分电路。
 
极致的联轴机械安装方式。永磁同步力矩直接驱动,没有传动损失。
(很多的替换者编码器,精度都还没有优于35角秒,甚至都是角分级别,有些只是重复精度数据)。
 
ERN1387的这些参数特性其实早就公开,其他品牌试图替换ERN1387的编码器,使用相似的锥形轴机械安装形式,输出同样的2048正余弦信号,后面用同样的细分电路,为什么会替换不成?
也许他们仅仅只强调了编码器2048正余弦信号细分的高分辨率,可能忽略了编码器精度对于伺服控制加速度稳定性的重要性,由于同步电机电梯没有传动装置,加速度的平稳性直接暴露在电梯轿厢上,而电梯乘客每个人的中耳平衡系统对于轿厢变化加速度平稳性却极为敏感,那就与编码器的精度有关!
 
电梯轿厢中,乘客人耳的中耳平衡系统对变加速度的平稳性曲线很敏感,不稳定的波动将对人产生晕眩心慌感觉。
 
原来人的耳朵就是电梯伺服控制好不好的检验装置啊。
来自ERN1387编码器厂家的意见:可控的伺服驱动技术为了增大控制环的增益,需要充分考虑系统的动态性能、速度的稳定性及系统的刚性,位置编码器的选用是影响驱动控制性能好坏的一个非常重要的因素。特别是位置的分辨率及一个信号周期内的位置误差对系统性能影响非常明显。 
几种伺服电机位置检测器件的主要性能比较 
周期性误差对控制性能的影响:
为了实现所需的高分辨率,必须对扫描出来的正弦信号进行细分。偏离理想的正弦信号在细分时就会产生一个信号周期内的周期性误差,因此一个信号周期内的位置误差也称为细分误差。在高质量的编码器上细分误差通常是信号周期的1%至2%。 
细分误差会影响位置精度,同时也会非常明显地降低驱动系统的速度稳定性以及带来噪音。速度控制器会根据误差曲线计算电流来增加或减低驱动系统的速度。在低速时驱动的进给滞后于细分误差。在加速时细分误差的频率也会增加。因为只有在控制系统的带宽范围以内电机才能跟随误差的波动,细分误差对速度稳定性的影响会随着速度的增加而减少。然而,它对电机电流的扰动继续增加,在高增益的控制环系统中将给驱动带来很大的扰动噪音,其结果可能就是产生热量而电机发烫,并最终毁损电机。 
伺服驱动能达到的精度取决于测量误差的幅值以及周期。因为单信号周期(例如单磁极磁编)一转只产生一个信号周期,细分误差就会有很大的影响:使用表1中的数据,控制系统的带宽设为100Hz,驱动系统跟随周期为编码器一个信号周期的细分误差,速度可达6000r/min。也就是说在任何速度范围内都会有速度的波动。 
当使用光电式旋转编码器时,只是在低速时驱动系统才滞后于细分误差。使用和上面同样的例子,使用2048线的光电式旋转编码器,当速度在0至2.8 r/min时一个信号周期内的细分误差才会变得很明显。由此而引起的位置误差通常在6”以内。 
位置分辨率对速度控制的影响: 
应用在伺服驱动上的编码器的分辨率和精度通常是变化的,所以可能实现的最小测量步距对控制环的影响需要密切关注。只对速度控制环增益是线性的情况来分析有限的位置分辨率的主要影响。笔者忽略位置控制器和积分速度环,来分析下列参数的驱动系统: 
采样间隔T: 100μs; 
P-增益KPG : 600s-1; 
电机惯量JM : 0.001kgm2; 
恒定扭矩KKM: 0.68Nm/A; 
根据这些参数,具有14位细分的旋转变压器的最小测量步距,会引起3.4A的电流波动,也就意味着电机峰值电流的50%需要考虑进来。而另一方面值得注意的是具有更小测量步距17位的感应式编码器只有400mA的电流波动,25位的光电式旋转编码器电流的波动更小,只有不到2mA。 
驱动系统的机械方面的影响和编码器的位置误差都将引起速度稳定性的不规则变化。如果测量信号的分辨率太低或者细分误差太大,波浪状的误差就会出现在工件加工表面。在生产系统里面特定运动的速度稳定性也可以看作与质量有关的生产参数。 
编码器的分辨率和精度在很大程度上能提高电机的速度稳定性,同时,也极大地减少了电机电流的波动。电机运转时噪音小,产生的热量也会很少。 
理想的具有高细分倍数的输出信号支持高的带宽,也就是说载荷的变化对旋转速度的影响很小。 
 
由此总结:电梯伺服编码器ERN1387的“秘籍”——编码器的精度对伺服控制的影响更加的重要。
——机械安装精度的极致化,没有联轴器的刚性锥形面联接。
——编码器系统精度高,达到20角秒。注意,编码器的精度表述单位是角秒,不是多少位。
——输出正余弦信号完美度,偏差小(小于1%),150米的差分信号传输距离抗干扰性强。
——没有传动系统打掩护的直接面对电梯乘客体验,挡住了因编码器精度不够而引起加速度不稳定的竞争者。
当伺服编码器ERN1387在电梯运行中经历从停止到高速,再从高速到停止的加速度变化时,它输出角度信号的高精度帮助了伺服控制有稳定的电流环,而获得稳定变化的轿厢加速度曲线,电梯轿厢中的乘客就很有舒适感了。
编码器ERN1387编码器为2048个正余弦信号(11位AB,四倍频后为13位)。这样的正余弦信号也可以通过ADC细分,有些细分芯片可报12位细分,也就是说类似的2048正余弦编码器经过了细分最高可达23位。但是,细分前的精度,机械安装的精度,细分无法改变提高。23位的分辨率对于伺服精度完全是两个不同的概念。
故事《滥竽充数》不需多讲。当电梯这样千百万市民需要每天一次次,对一个个电梯编码器亲身体验的时候,那就是要编码器一个个的单独吹竽表演的时刻。如果忽视编码器精度重要性,而只是靠细分获得的高分辨率的编码器,将显露出伺服控制电流环不稳定,变化的加速度曲线不平滑的弊端,电梯轿厢中的乘客就会感觉晕眩心慌,而要去投诉电梯厂家了。
 
可以这么说,伺服电机上有较大误差的机械减速传动系统误差掩盖了很多编码器的精度,那些报有“很高分辨率”,但是精度却很一般的编码器还可以混迹其中,用户因机械误差更大而无法辨别。而电梯同步曳引机的伺服编码器没有传动减速,是直接角度反馈的,编码器精度影响在伺服控制运动曲线上的稳定性如何将暴露无遗。那些忽视精度光讲分辨率有多高的编码器就要像那逃跑的南郭先生一样,无法再混迹其中了。
 

供稿:@Q裘奋

本文链接:http://www.cmcia.cn/Content.aspx?id=717

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