上周末，中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)、中國(guó)運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在廣東順德召開(kāi)了一屆運(yùn)動(dòng)控制界的“運(yùn)動(dòng)會(huì)”——2019智能制造&中國(guó)運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)發(fā)展高峰論壇暨頒獎(jiǎng)盛典，來(lái)自行業(yè)內(nèi)的超過(guò)百家企業(yè)近五百人參加了大會(huì)。這次“運(yùn)動(dòng)會(huì)”開(kāi)的很熱鬧、很成功，向主辦方祝賀。

編碼器也是本次大會(huì)的熱點(diǎn)之一，包括德國(guó)海德漢和長(zhǎng)春禹衡也作為老“運(yùn)動(dòng)員”，都在大會(huì)上展示了自家的編碼器。最近幾年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)小型伺服電機(jī)發(fā)展迅猛，現(xiàn)有伺服電機(jī)市場(chǎng)更多的關(guān)注在體積小而薄，分辨率高而價(jià)格低的編碼器上，對(duì)于“絕對(duì)值編碼器”的理解，也是僅停留在能“停電記憶”的“絕對(duì)值”其中的一個(gè)功能上。并且我注意到，即使連海德漢在會(huì)場(chǎng)一起展示的總線式多圈絕對(duì)值編碼器，也因?yàn)轶w積大而幾乎無(wú)人問(wèn)津。這說(shuō)明運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)對(duì)編碼器的認(rèn)知理解是有不同的角度。

作為新“運(yùn)動(dòng)員”第一次參加“運(yùn)動(dòng)會(huì)”，我一直在做編碼器應(yīng)用的服務(wù)與推廣、編碼器的研發(fā)與制造的角度，在此次會(huì)上從另外一個(gè)角度作了30分鐘的演講。下面是本次演講其中的一部分，由于30分鐘時(shí)間有限，在大會(huì)上有些預(yù)先準(zhǔn)備的內(nèi)容拿掉了，有些沒(méi)有時(shí)間展開(kāi)說(shuō)明，在下面也有機(jī)會(huì)可以再補(bǔ)充。以供運(yùn)動(dòng)控制的工程師們參考與討論。

一、運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品對(duì)編碼器的基本要求

1.運(yùn)動(dòng)控制的基本目標(biāo)：

高精度加工，高速響應(yīng)加工，多軸同步協(xié)作的加工，有可靠性高效的加工。

2.運(yùn)動(dòng)控制基本目標(biāo)對(duì)應(yīng)的編碼器基本要求是：

高精度、高速響應(yīng)，準(zhǔn)確性、高效性，可靠性、安全性。

還要便宜。

3.高分辨率？

只是為了位置環(huán)和速度環(huán)的高精度和高速響應(yīng)的一個(gè)手段。但是，超細(xì)分的高分辨率其實(shí)已經(jīng)偏離了對(duì)精度的基本要求，依賴(lài)算法補(bǔ)償已經(jīng)偏離了高速響應(yīng)基本要求。由于有傳動(dòng)減速機(jī)的掩護(hù)，大量做小型伺服電機(jī)的工程師們還不能明顯看出這里面的問(wèn)題。

4.停電記憶？只是為了高效，無(wú)需開(kāi)機(jī)找零位的一個(gè)手段。但是如果是依賴(lài)計(jì)數(shù)器的計(jì)圈，尤其是停電后的微功耗管理下的計(jì)數(shù)圈數(shù)，仍然存在計(jì)數(shù)錯(cuò)誤無(wú)法判斷的可能性，偏離了運(yùn)動(dòng)控制可靠性與安全的基本要求。由于很多是小型伺服電機(jī)，這種可靠性與安全性帶來(lái)的隱患還不是很突出。在風(fēng)力發(fā)電這種大型設(shè)備上，已經(jīng)大量換下了電子多圈編碼器，這樣的問(wèn)題并沒(méi)有引起運(yùn)動(dòng)控制工程師們的注意。

5.“能用就行，能用最經(jīng)濟(jì)的方式做出產(chǎn)品，或者做一件事，是展示工程師的本事?！边@樣的觀念，在國(guó)內(nèi)工控行業(yè)很突出。但是這種思維方式很不工業(yè)，很不“工程”，那是“農(nóng)民與作坊式”思維，要憑一點(diǎn)點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)靠一點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)氣。工業(yè)化的思維是需要有標(biāo)準(zhǔn)化、可流程化，可知與可控及容錯(cuò)性，減少甚至消滅制造過(guò)程中產(chǎn)品使用的不確定性，才能夠可復(fù)制，保證大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。我在本次大會(huì)上再次提出了運(yùn)動(dòng)控制創(chuàng)新產(chǎn)品18個(gè)月反饋周期的觀點(diǎn)。

二、運(yùn)動(dòng)控制不可忽視的相關(guān)性

1.運(yùn)動(dòng)控制-伺服運(yùn)動(dòng)是動(dòng)態(tài)的，不是靜態(tài)的。

不能以靜態(tài)的測(cè)試方法得到的編碼器精度與分辨率，去理解伺服編碼器的應(yīng)用。如果是依賴(lài)于過(guò)度補(bǔ)償與算法的某些編碼器參數(shù)，在伺服電機(jī)動(dòng)態(tài)時(shí)會(huì)怎么樣？在伺服電機(jī)長(zhǎng)期使用后，及使用中溫度提升之后會(huì)怎么樣？

2.運(yùn)動(dòng)控制，應(yīng)包含電機(jī)與傳動(dòng)部分，應(yīng)包含工藝輸出端負(fù)載的變化與意外，減少不確定。

如果用直驅(qū)電機(jī)，當(dāng)然就可以消除傳動(dòng)部分帶來(lái)的困惑，但是直驅(qū)電機(jī)對(duì)輸出端負(fù)載變化的敏感性，其要做到可知與可控難度更大。由于沒(méi)有傳動(dòng)部分的掩護(hù)與杠桿作用，直驅(qū)電機(jī)輸出的力矩大電流大，力矩加速度環(huán)控制難度較大，對(duì)于編碼器的精度要求更高。

3.運(yùn)動(dòng)控制，應(yīng)包含電機(jī)-傳動(dòng)與其他的電機(jī)-傳動(dòng)的位置、速度關(guān)系，減少不確定。

當(dāng)多個(gè)電機(jī)在一起控制的時(shí)候，很多單個(gè)電機(jī)容易解決的問(wèn)題，到了多個(gè)電機(jī)控制都要推翻重新來(lái)過(guò)，現(xiàn)有的同步控制器大部分是指令發(fā)出同步，反饋來(lái)至單個(gè)驅(qū)動(dòng)器，還不是多電機(jī)大系統(tǒng)的閉環(huán)。

4.我的參考意見(jiàn)，是在傳動(dòng)軸上加裝絕對(duì)值多圈編碼器。

當(dāng)然是要能夠在傳動(dòng)部分加裝編碼器，要求是加裝機(jī)械齒輪箱式的絕對(duì)值多圈編碼器，后面再展開(kāi)理由。

直驅(qū)電機(jī)不需要再加裝編碼器，但要選擇高精度的伺服電機(jī)編碼器，注意不只是編碼器高分辨率，是編碼器的高精度！編碼器的高精度對(duì)于直驅(qū)電機(jī)的電流環(huán)極為重要，我在公眾號(hào)介紹電梯編碼器ERN1387文中已有講解，可以回過(guò)頭去看。

三、運(yùn)動(dòng)控制中同步控制的根本性問(wèn)題

同步控制的根本，是多軸統(tǒng)一約定與反饋比較：

1.什么時(shí)候，各軸都能到達(dá)哪里，各軸響應(yīng)度如何？

2.統(tǒng)一對(duì)表（時(shí)鐘同步、TSN），統(tǒng)一對(duì)地圖（零點(diǎn)對(duì)齊，絕對(duì)值唯一性編碼）。

3.多軸同步控制不可忽視傳動(dòng)機(jī)械與負(fù)載可能的不同與變化。

4.由于是多軸在一起的控制，務(wù)必減少每一個(gè)軸上的不確定性。當(dāng)在單軸上的不確定性是小概率事件，而在多軸同步控制時(shí)就會(huì)成為大概率事件。

四、有簡(jiǎn)單三句話建議收藏

由于前面說(shuō)的“伺服是動(dòng)態(tài)”的，在運(yùn)動(dòng)控制需要工業(yè)化思維的“可知、可控、可重復(fù)與可靠性”，那么下面三句話也許對(duì)運(yùn)動(dòng)控制就會(huì)很重要：

1.可以走硬件的永遠(yuǎn)比走軟件算法快，并且可靠。

2.并行算法總是比串行算法快，并且可靠。走硬件解決是“并行算法”思維。

3.編碼器的精度是硬件的，通過(guò)細(xì)分獲得的高分辨率是“串行算法”的；全行程絕對(duì)值編碼是“硬件”的“并行思維”，通過(guò)計(jì)數(shù)器累加增量的方式并記憶的是“串行思維”的。

在工業(yè)中，要做到減少不確定性，是要有準(zhǔn)確性的高速，才是最高效，最可靠的，也就是最經(jīng)濟(jì)的。

五，絕對(duì)值多圈編碼器的核心問(wèn)題、是可靠性。

工業(yè)以太網(wǎng)的核心問(wèn)題，是又多又快地容錯(cuò)性。

絕對(duì)值唯一性編碼的容錯(cuò)性給運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)的好處。

在傳動(dòng)輸出軸上加裝工業(yè)以太網(wǎng)絕對(duì)值多圈編碼器，同步問(wèn)題、高效與可靠性問(wèn)題可以簡(jiǎn)單化。每一傳動(dòng)軸上可以獲得絕對(duì)值坐標(biāo)位置，無(wú)不確定性，可準(zhǔn)確定位，無(wú)需找零，容錯(cuò)性效率高。絕對(duì)值坐標(biāo)中與其他運(yùn)動(dòng)軸的相互位置關(guān)系確定，可很容易實(shí)現(xiàn)多軸同步、聯(lián)動(dòng)。

全行程絕對(duì)值編碼的機(jī)械齒輪箱絕對(duì)值多圈編碼器，它的核心就是可靠性，唯一性編碼，在使用中首次調(diào)試對(duì)齊零位后，就不應(yīng)該再有錯(cuò)碼再有零點(diǎn)位置跑丟。由于裝在傳動(dòng)后的輸出工藝端，它的精度與響應(yīng)直接對(duì)應(yīng)加工精度與響應(yīng)，它與其它軸之間的關(guān)系也很簡(jiǎn)單，大家在首次零點(diǎn)對(duì)齊后，各軸的絕對(duì)值坐標(biāo)就是確定的，不受傳動(dòng)誤差、傳動(dòng)機(jī)械磨損、加工工藝端負(fù)載的變化的不確定性的影響。各軸的位置關(guān)系僅僅與其運(yùn)動(dòng)控制有關(guān)，這是真實(shí)的多軸同步控制系統(tǒng)大閉環(huán)。

在以多軸運(yùn)動(dòng)控制的思考中，應(yīng)盡量避免各單軸的不確定性，已經(jīng)沒(méi)有時(shí)間去驗(yàn)證編碼器反饋數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)，是否需要等單個(gè)哪一軸去找一下零位。在多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸控制中，只要有一個(gè)軸數(shù)據(jù)出錯(cuò)，或者無(wú)法判斷是否出錯(cuò)，都將帶來(lái)整個(gè)系統(tǒng)的混亂、停機(jī)，甚至事故。因此，我一再堅(jiān)持的電子多圈是以計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)多圈的，尤其是在停電狀態(tài)下的微功耗計(jì)數(shù)圈數(shù)，其存在的不確定性。既然要用絕對(duì)值多圈編碼器的功能，就不可忽視絕對(duì)值多圈編碼器的核心問(wèn)題，是容錯(cuò)性可靠性，編碼原理上不可有不確定性。

工業(yè)以太網(wǎng)絕對(duì)值多圈編碼器

工業(yè)以太網(wǎng)，是以互聯(lián)網(wǎng)硬件以太網(wǎng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工業(yè)多數(shù)據(jù)的傳輸。因互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，獲益于滿足社會(huì)需求的低成本與普惠性，其大規(guī)?；晒?yīng)用帶來(lái)的好處，是多點(diǎn)數(shù)據(jù)連接同時(shí)在線傳輸?shù)挠布杀镜停夹g(shù)成熟。工業(yè)以太網(wǎng)既要傳承互聯(lián)網(wǎng)硬件成功“普惠性技術(shù)成熟”的秘訣，又要兼顧工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸螅瑢?duì)于機(jī)器類(lèi)數(shù)據(jù)不確定性錯(cuò)誤的識(shí)別與容錯(cuò)，糾錯(cuò)。

?Profinet，PI協(xié)會(huì)及德國(guó)西門(mén)子主導(dǎo)的工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，RT（實(shí)時(shí)）通訊協(xié)定是針對(duì)PROFINETCBA及PROFINETIO的應(yīng)用，其反應(yīng)時(shí)間小于10ms。IRT（等時(shí)實(shí)時(shí)）通訊協(xié)定是針對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PROFINETIO通訊，其反應(yīng)時(shí)間小于1ms。在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，周期小于32us

?Ethercat，ETG協(xié)會(huì)及德國(guó)倍福主導(dǎo)的工業(yè)以太網(wǎng)，基于以太網(wǎng)物理基礎(chǔ)的分布式總線技術(shù)，周期時(shí)間短，優(yōu)于32us。提供分散式時(shí)鐘機(jī)制，同步時(shí)鐘找回。

?以太網(wǎng)更快，可連接更多設(shè)備，傳輸更大的數(shù)據(jù)量。

?工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，既是工業(yè)自動(dòng)化需要，又是向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

六、工業(yè)以太網(wǎng)絕對(duì)值多圈編碼器，在多運(yùn)動(dòng)軸同步控制中突出的優(yōu)勢(shì)

在傳動(dòng)軸上加裝工業(yè)以太網(wǎng)絕對(duì)值多圈編碼器，在同步控制中帶來(lái)了明顯的優(yōu)勢(shì)：

1.每一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，在調(diào)試初始化零點(diǎn)對(duì)齊后，絕對(duì)值坐標(biāo)不再改變，是幾乎永久性可確定的，每個(gè)軸與其他軸的位置關(guān)系，在絕對(duì)值坐標(biāo)上是幾乎永久性可確定的。

2.用工業(yè)以太網(wǎng)將所有傳動(dòng)軸上的絕對(duì)值編碼器高速聯(lián)網(wǎng)，時(shí)鐘同步找回時(shí)間同步點(diǎn)，所有外掛的絕對(duì)值多圈編碼器可視在同一個(gè)“同時(shí)”對(duì)齊的絕對(duì)值位置坐標(biāo)上。

3.以此絕對(duì)值位置坐標(biāo)，虛擬一個(gè)移動(dòng)軸，所有運(yùn)動(dòng)軸與此虛擬移動(dòng)軸跟隨，同步跟隨。這是并行算法思維。

4.調(diào)試中找到響應(yīng)度最慢的那個(gè)軸，虛擬軸以照顧那個(gè)最慢的軸，或者稱(chēng)為“主軸”，其他所有運(yùn)動(dòng)軸與虛擬運(yùn)動(dòng)軸跟隨同步，相當(dāng)于跟隨“主軸”同步。

5.由于以太網(wǎng)的快速及同步時(shí)鐘的找回，所有運(yùn)動(dòng)軸的同步計(jì)算相當(dāng)于是并行的，與傳動(dòng)誤差與磨損無(wú)關(guān)，與負(fù)載不同負(fù)載變化無(wú)關(guān)，不確定性最小。運(yùn)動(dòng)同步控制算法簡(jiǎn)單，項(xiàng)目成功性高。

6.調(diào)試時(shí)有絕對(duì)值位置坐標(biāo)可做參考，可做記錄，調(diào)試成功后不再改變。調(diào)試人工低，不需要返回再調(diào)試的人工低，可靠性安全性高。減少了不確定性，最終是大大節(jié)省項(xiàng)目成本與用戶使用成本的。

運(yùn)動(dòng)控制的多軸同步控制，如果機(jī)械上有條件，就在傳動(dòng)軸上加裝工業(yè)以太網(wǎng)絕對(duì)值多圈編碼器（必須是機(jī)械齒輪箱式的，不然就顯得多此一舉了），猶如你打游戲過(guò)關(guān)時(shí)加了“外掛”了，多開(kāi)了一個(gè)“天眼”，將前面要做的事看得清清楚楚，輕松過(guò)關(guān)。

這就叫“升維思考，降維打擊”。游戲術(shù)語(yǔ)。

我不打游戲，我只是研究過(guò)史玉柱做游戲成功的秘訣——做游戲免費(fèi)，賣(mài)裝備賺錢(qián)。不舍得買(mǎi)好裝備的打游戲者，很難成為游戲高手，是去送分的。你要把裝備做好了，去成就你的客戶，你就有機(jī)會(huì)賺錢(qián)。這個(gè)被發(fā)現(xiàn)的秘密分享給大家。

傳動(dòng)軸上加裝編碼器的選擇，注意問(wèn)清楚必須是機(jī)械齒輪箱式絕對(duì)值多圈編碼器，這是我們的用戶提到的，在國(guó)產(chǎn)寶馬汽車(chē)生產(chǎn)線上與德國(guó)工程師合作，德國(guó)工程師特意關(guān)照的要求。沒(méi)有電池，沒(méi)有韋根。

下一篇，我再來(lái)寫(xiě)一下精浦機(jī)電（GEMPLE）的“profinet絕對(duì)值多圈編碼器，在寶馬汽車(chē)生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步控制的應(yīng)用”的成功案例。

最后再給大家分享一個(gè)好消息，在本次“運(yùn)動(dòng)會(huì)”上，上海精浦機(jī)電公司的“工業(yè)以太網(wǎng)機(jī)械齒輪箱式絕對(duì)值多圈編碼器”，榮獲CMCD2018年度運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域“技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品獎(jiǎng)”。實(shí)際上這個(gè)產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)產(chǎn)寶馬汽車(chē)生產(chǎn)線上有了成功的應(yīng)用，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的高密度試用后，在去年8月份用戶的項(xiàng)目就已經(jīng)獲得了驗(yàn)收通過(guò)。做好產(chǎn)品，成就客戶，是我們一貫的宗旨。

下一篇，我再來(lái)寫(xiě)一下精浦機(jī)電（GEMPLE）的“profinet絕對(duì)值多圈編碼器，在寶馬汽車(chē)生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步控制的應(yīng)用”的成功案例。

最后再給大家分享一個(gè)好消息，在本次“運(yùn)動(dòng)會(huì)”上，上海精浦機(jī)電公司的“工業(yè)以太網(wǎng)機(jī)械齒輪箱式絕對(duì)值多圈編碼器”，榮獲CMCD2018年度運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域“技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品獎(jiǎng)”。實(shí)際上這個(gè)產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)產(chǎn)寶馬汽車(chē)生產(chǎn)線上有了成功的應(yīng)用，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的高密度試用后，在去年8月份用戶的項(xiàng)目就已經(jīng)獲得了驗(yàn)收通過(guò)。做好產(chǎn)品，成就客戶，是我們一貫的宗旨。