一，電機尾部的安裝

電機尾部的編碼器首先是為電機驅(qū)動器反饋信號的。

變頻電機尾部的編碼器對變頻器是速度閉環(huán)反饋。

伺服電機尾部的編碼器對伺服驅(qū)動器是位置閉環(huán)反饋。

變頻電機上的編碼器：

 

速度——積分到位置，對系統(tǒng)是半閉環(huán)。

變頻電機尾部安裝編碼器好處是直接反映電機的轉(zhuǎn)速動態(tài)性能，作為相位頻率、電流-力矩-加速度的電機驅(qū)動的調(diào)速與矢量控制閉環(huán)。

變頻電機尾部的編碼器就是變頻器調(diào)速的速度閉環(huán),如果變頻器沒有PG卡，它僅僅是調(diào)速的閉環(huán)，而對于上位控制器（PLC等）的位置環(huán)是依賴于速度對時間軸上積分的。

變頻器如果增加了位置控制卡PG卡后，可以有變頻器上直接的電機位置閉環(huán)。但是變頻電機都是依賴于機械傳動裝置帶動負載端，這種電機位置閉環(huán)僅僅是反映在電機高速旋轉(zhuǎn)中的位置值，而不是經(jīng)過傳動減速后低速負載端的真實位置，這種位置閉環(huán)稱為半閉環(huán)。這種閉環(huán)因變頻電機減速傳動裝置而誤差較大。

因此，變頻電機（包括具有伺服功能的異步伺服電機）尾部的編碼器，基本上是速度閉環(huán)為主,以增量編碼器為主。

 

伺服電機上的編碼器

位置--微分到速度，電機位置，對系統(tǒng)是半閉環(huán)。

伺服是天然的位置閉環(huán)。伺服電機設(shè)計的就是位置、速度、電流力矩的閉環(huán)。編碼器同步反饋電機轉(zhuǎn)子的位置，并在時間軸上微分到速度環(huán)。因此無論是控制中取速度環(huán)優(yōu)先還是位置環(huán)優(yōu)先的控制策略，其編碼器反饋給伺服控制器的原始信息就是位置環(huán)。

這種閉環(huán)是針對電機的閉環(huán)，在速度上真實反映電機的轉(zhuǎn)速與電機相位，這有利于驅(qū)動器根據(jù)反饋快速調(diào)制驅(qū)動，但是對于傳動后終端的位置控制是半閉環(huán)的，中間隔了機械傳動：

1， 多級機械傳動間隙誤差的不確定性，負載變化帶來傳動“彈性”的不確定性；

2， 傳動機械磨損的調(diào)試磨合期長，傳動可能發(fā)生的機械損壞沒有反饋，所帶來的安全性不確定。

因上述的不確定性無法避免的定位誤差，調(diào)試過程中的參數(shù)調(diào)試的不確定，使用磨合后的技術(shù)人員二次返回重新調(diào)整參數(shù)需再修正，這大大增加了調(diào)試人工成本。

3， 原點位置丟失。目前大部分的伺服電機尾部編碼器都是增量編碼器，或者是單圈絕對值編碼器，機械式絕對值真多圈編碼器的體積較大，并且量程圈數(shù)4096圈,往往不夠電機實際轉(zhuǎn)數(shù)。目前絕對值機械多圈編碼器還較少直接裝在伺服電機尾部。目前的伺服電機尾部增量編碼器依賴于機械終端加裝原點開關(guān)，而單圈絕對值編碼器依賴于多圈計數(shù)器并保存累加數(shù)值，并用各種方法掉電保存數(shù)據(jù)。包括用電池、超級電容或者微弱自“發(fā)電”的韋根線圈。但其實這些都不是真實多圈絕對值編碼，在計數(shù)累加圈數(shù)的過程中一旦被干擾，或者在停電后微弱的低功耗工作監(jiān)測圈數(shù)的變化時被干擾（編碼器停電低功耗工作時的信號很微弱，被干擾的幾率增加），一旦被干擾而圈數(shù)誤加錯誤，是無法判斷的。這將發(fā)生原點丟失的錯誤。所以這種拿單圈絕對值當多圈編碼器的用法，因仍然存在原點丟失的可能性而失去了“絕對值”的意義。只是相對于增量編碼器而言，這種丟原點的概率降低了很多。

 

需要提醒的是，有一些編碼器廠家用韋根計數(shù)的電子多圈偽絕對值與機械多圈的真絕對值編碼器混為一談，隱瞞了電子多圈計數(shù)一旦出錯誤加無法識別的致命缺陷。

真絕對值多圈編碼器在調(diào)試后保存原點位置，原點位置是永久性的。不應(yīng)再發(fā)生有時原點在，有時又丟原點位置又需要重新找原點的情況。如果發(fā)生這種丟原點位置，那是假絕對值多圈編碼器。

半閉環(huán)上的不確定性，就意味著系統(tǒng)位置控制精度較低，降低了自動化效率，現(xiàn)場不確定成本將會增加?；蛘邫C械損壞及原點丟失帶來的安全性問題，尤其是最終用戶生產(chǎn)中停機及故障檢修損失。

 

二，第二編碼器——全閉環(huán)編碼器

全閉環(huán)是指在伺服電機尾部的編碼器以外，在機械終端再加裝了第二編碼器，對應(yīng)控制要求的終端位置直接的編碼器位置反饋。例如安裝直線光柵尺與大孔徑編碼器。這樣伺服編碼器與全閉環(huán)編碼器兩個編碼器做了專業(yè)分工：伺服電機尾部的編碼器專管電機的速度反饋閉環(huán)和電機相位的反饋，信號連接伺服驅(qū)動器，而機械終端的第二編碼器反映的是運動軸控制目標的真實位置閉環(huán)，信號連接PLC或者同步控制器。

更重要的是在多運動軸做同步控制時，能夠更確定的反饋各軸位置控制目標的相互位置關(guān)系，同步加工有更確定性。

從第二編碼器最初的任務(wù)位置閉環(huán)來看，全閉環(huán)編碼器最好就是用全行程絕對值編碼器，不會發(fā)生原點丟失的問題。如果多軸運動中只要有一軸發(fā)生原點位置錯誤，多軸系統(tǒng)就亂了而不得不停機，人工干預(yù)找出是哪一軸發(fā)生了錯誤，并手動回歸原點。所以多軸同步運動控制從使用效率和安全性而言，必須要有絕對值編碼器做原點位置不丟失的保障。

 

但是全閉環(huán)的第二編碼器由于是與終端位置直接連接反饋的尺寸，編碼器的尺寸依據(jù)實際需求而需定制化，這限制了規(guī)模化生產(chǎn)，而且如果再要求是絕對值編碼器，它的成本很高。由于難以大批量化，其高品質(zhì)管理要求同樣帶來高成本，而機械安裝要求的高精度，維修停機時間長。

全閉環(huán)，成本高，直接到機械剛性連接的對加工精度與安裝精度要求很高，達不到要求極易損壞。

 

三，直驅(qū)電機的全閉環(huán)編碼器

直驅(qū)電機是沒有機械傳動的直接驅(qū)動終端位置控制，這樣電機尾部的編碼器直接就是全閉環(huán)編碼器。它相當于半閉環(huán)系統(tǒng)里的第二編碼器。直驅(qū)運動系統(tǒng)值得發(fā)展，也是必然的發(fā)展趨勢。但直驅(qū)電機的電流環(huán)控制的要求很高，因為沒有了傳動裝置的緩沖，電機的抖動將直接反映在終端加工端。直驅(qū)電機要做好一致性難度較大，目前普及的路途有點遠。而且與上述全閉環(huán)第二編碼器的情形一樣，目前直驅(qū)電機的專用尺寸的絕對值編碼器還是成本較高，包括維護成本。

 

四，第二編碼器——輔助的絕對值編碼器

在伺服電機上的編碼器我們稱之為伺服編碼器，它更多的是電機運動控制傳感反饋。與系統(tǒng)定位配合的第二個編碼器成為了輔助編碼器---提供低速終端(或最接近終端)的位置反饋。輔助編碼器應(yīng)該是用全行程絕對值編碼的絕對值多圈編碼器，提供與其它軸的對比做同步與聯(lián)動的絕對位置信息反饋，提供系統(tǒng)通電開機時的每個軸的絕對值位置和初始相關(guān)位置關(guān)系，相當于早期的開機找零，并隨時有每個軸的絕對值位置和各個軸的相關(guān)關(guān)系。

 

伺服編碼器是單個運動軸給予驅(qū)動器子系統(tǒng)內(nèi)的。而第二編碼器是開放給大系統(tǒng)（例如PLC或者同步控制器等上位機母系統(tǒng)），各個位置做同步對比協(xié)調(diào)的基準，它的精度繞過了減速機的誤差與丟脈沖不可靠可能，是直接對應(yīng)電機傳動后的位置測量反饋的。而另一個重要的是在時鐘坐標上到上位系統(tǒng)控制器的延遲損失最小。

第二編碼器——PLC（或多軸同步控制器）的連接

 

伺服輔助編碼器適合用總線式編碼器或者以太網(wǎng)編碼器，從較慢速的modbus RTU,到Canopen、powerlink、EtherCat和profinet的絕對值編碼器，這些編碼器的信號更適合進PLC或者其他上位機控制器。

 

低速負載端第二編碼器，裝在機械傳動的最后一段低速端，它仍然是有可能有一級機械傳動，所以精度不如全閉環(huán)編碼器（直驅(qū)電機編碼器），但是由于只有一級傳動，傳動誤差尚可掌控。機械誤差與機械磨損、損壞安全性的確定性。

 

 

輔助絕對值編碼器的作用：

1， 原點位置永久性。在低速負載端較易安裝比較經(jīng)濟的絕對值多圈編碼器，可實現(xiàn)全行程絕對值位置反饋，可保持原點位置永久性，在設(shè)備中可以大大提高自動化生產(chǎn)效率及安全性，節(jié)省人工干預(yù)及停機時間。這種用較經(jīng)濟的modbusRTU絕對值編碼器的經(jīng)濟附加值明顯。

 

2， 安全監(jiān)控。第二編碼器選用的是全行程絕對編碼的絕對值多圈編碼器，繞過了減速機或者其他機械傳動（例如卷筒鋼絲繩等）后端，因此可協(xié)助伺服編碼器的同步比較，反饋傳動系統(tǒng)的安全監(jiān)控。這類應(yīng)用可以根據(jù)大部分PLC上位機的信號接口選型，例如經(jīng)濟型PLC對接modbus RTU，或者西門子PLC對接profinet等。

 

3，多軸同步。在多軸同步控制系統(tǒng)中至少要有一個全行程的絕對值編碼器作為主軸編碼器。在多軸同步控制中調(diào)試與維護監(jiān)測時比單純的半閉環(huán)更有確定性。多軸原點位置絕對值的多軸坐標對應(yīng)，可保證各軸絕對值位置同步的確定性。

 

 包括變頻電機通過第二編碼器——絕對值多圈編碼器的安裝也可實現(xiàn)精準多軸同步。（例如 架橋機預(yù)制梁多吊點同步）

 

液壓油缸通過絕對值多圈編碼器的安裝，可以實現(xiàn)多油缸位置同步（例如三峽水閘大門的雙油缸同步提升）。

 

“同步”是指每一個時間與位置的“同步”比較的閉環(huán)控制。是時間同步和位置同步。這是“同步控制”題目的第一原理。

 

但不是速度同步。速度同步是時間同步位置把時間劃分得有多細的二次變量。每一個時間小段與位置小段的計算，是不是就是一段段速度？那同步簡單一點就是一段段速度相同？這就讓很多人誤入歧途的把同步當成了同速。但是所有做不好同步題目的大約都是起源于這個錯誤，因為閉環(huán)的偏差量的錯誤，我們已知伺服是時間偏差量（響應(yīng)）與位置偏差量（精度）的閉環(huán)。伺服是一個自檢閉環(huán)的系統(tǒng)，對于速度自檢的誤差在位置上，是把時鐘給扔掉的，在時間上是速度偏差量映射到位置偏差量是會累加的，而如果僅僅是同速閉環(huán)，會失去了位置自檢閉環(huán)，這樣的位置偏差會累加失控，而無法達到什么時候，各自在什么位置的同步要求了。做同步一定要有時間坐標的同步與位置坐標的同步。速度同速無法精確實現(xiàn)位置上的同步。

 

在位置環(huán)上，伺服編碼器反饋的位置角度，有可能并不是最后做同步的位置，中間隔了一套傳動減速裝置，而減速裝置的機械間隙與彈性振蕩，在時間延遲上，系統(tǒng)是通過伺服驅(qū)動器獲得的伺服編碼器位置，再到做同步的母系統(tǒng)，這就帶來位置的很大的在機械上偏差和機械彈性的時差。于是這樣做的同步會發(fā)現(xiàn)電機會有可能發(fā)生很大的位置調(diào)整振蕩。

 

在多軸同步控制中，無論是伺服電機還是變頻電機或者異步伺服都可以安裝低速負載端的第二編碼器，可以輕松實現(xiàn)伺服電機與變頻電機、變頻電機與變頻電機之間的角位置絕對值同步。

 

最常用的方法，是在多軸同步系統(tǒng)，選擇負載慣量最大的一個電機安裝負載終端低速端的第二編碼器，提供絕對值位置反饋給整條控制系統(tǒng)做同步位置參考指令，其他較小慣量的電機追蹤這個最大慣量的電機，較小慣量的電機控制響應(yīng)更快，更易實現(xiàn)同步追蹤。因此這個最大慣量電機運動軸上的第二編碼器，有時也稱為“主軸編碼器”。做同步控制猶如閱兵方陣，主軸編碼器是提供系統(tǒng)同步對齊指令的同步方陣中最靠譜的“排頭兵”。

這種推薦用Powerlink或者Ethercat絕對值編碼器實現(xiàn)主軸編碼器。

4，工業(yè)以太網(wǎng)的系統(tǒng)大閉環(huán)。

工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢是可以連接更多的運動軸做同步，而很多個運動軸的位置確定性與時間差確定性就顯得很突出，而伺服電機尾部的編碼器體積空間小，以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)換的專用電路體積較大很難與編碼器一體化，這就需要加裝第二編碼器——以太網(wǎng)絕對值編碼器，用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)全閉環(huán)。

例如POWERLINK、Ethercat、profinet絕對值多圈編碼器。

如果沒有傳感器（編碼器）直接在以太網(wǎng)反饋實現(xiàn)閉環(huán)反饋，工業(yè)以太網(wǎng)就不能實現(xiàn)一個完整的自動化控制閉環(huán)，也就難以顯現(xiàn)出工業(yè)以太網(wǎng)快速、安全的優(yōu)勢。用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)多軸同步控制，至少需要有一個工業(yè)以太網(wǎng)主軸絕對值編碼器建立同步基準的參考反饋。例如Ethercat和profinet.

以太網(wǎng)編碼器的數(shù)據(jù)直接上傳，還可以實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄與管理，機械傳動監(jiān)控與機械使用壽命延長，全生命周期服務(wù)等等。這就是向工業(yè)4.0靠攏重要的一步。

 

5， 機械軟剎車。延長機械使用壽命。裝在低速負載端的第二編碼器的位置反饋更直接，可以實現(xiàn)多點軟剎車柔性停車，這可以大大延長機械傳動的使用壽命，并實現(xiàn)精準定位。

相比較輔助編碼器它比全閉環(huán)編碼器更經(jīng)濟，共容易實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)，更容易實現(xiàn)輕松的多運動軸同步控制。

安裝有全行程的絕對值多圈編碼器更安全。目前的機械齒輪箱絕對值多圈編碼器已經(jīng)有較低的市場價格（例如modbusRTU機械式絕對值多圈編碼器的價格已低于1000元），雖然增加了這樣一個第二編碼器的成本，但是它節(jié)省了原點開關(guān)與機械找原點的時間，大大提高了設(shè)備自動化效率與安全性。同時也增加的系統(tǒng)在調(diào)試中的確定性與安全性，節(jié)省現(xiàn)場調(diào)試時間與二次返場重新修正參數(shù)時間，在系統(tǒng)定位精度的保證、同步控制的保證，現(xiàn)場調(diào)試人工的減少，維修停機的減少等多個方面，都向最終用戶顯示出這種方案更加的靠譜可信度，而為用戶創(chuàng)造出附加值。

這樣一個第二編碼器——全行程絕對值多圈編碼器上的投入增加了運控產(chǎn)品的競爭力，還是很有經(jīng)濟附加值的。

安裝在轉(zhuǎn)臺上的第二編碼器

安裝在絲桿上的第二編碼器

安裝在減速機上的第二編碼器。

常用的絕對值真多圈編碼器信號接口：

modbus RTU，SSI，Canopen，profibus-DP，4--20mA；

profinet，Ethercat，modbus TCP。

《GEMPLE》國產(chǎn)化的都已能制造，并且機械齒輪箱的絕對值多圈技術(shù)與品質(zhì)已得到了市場多年的驗證。