编码器在伺服系统中的应用

自动化生产线安装与调试主讲：钟苏丽学习情境：输送单元的安装与调试编码器在伺服系统中的应用编码器在伺服电机中的应用

利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。转速测量转子磁极位置测量角位移测量13.4.1电源单元

包括功率逆变器供电电源、控制电路供电和电源保护。逆变器供电电源由三相交流不可控桥式整流及无源滤波网络滤波所得到。为避免通电时出现过大的瞬时电流和电机制动时产生过高的泵升电压，一般带有软启动和能量泄放电路。控制电源一般由自激振荡式开关电源产生。电源保护主要是指交流输入端的缺相、欠压和过压，直流输出端的过流、欠压和过压以及泵升电路的超时保护。电源保护是系统可靠运行的重要保证。13.4.2功率逆变和保护单元

功率逆变器的功能是根据控制电路的指令，将电源单元提供的高压直流电转变为伺服电机定子绕组中的三相交流电流，以产生所需电磁力矩。这部分可以采用集驱动电路、保护电路和功率管于一体的智能功率模块(IPM)。IPM实现了功率管的优化驱动和就地保护，提高了功率逆变器的性能。现有智能功率模块的功率管为IGBT，其开关频率可达20kHz，可以满足大多数伺服系统的要求，但在选用较高的开关频率时，应采取措施以解决开关损耗与电压利用率低等问题。13.4.3检测器单元

包括反馈电流和反馈位置检测。电流反馈环节主要是抗电网电压扰动和提高系统的电流跟踪速度，实际系统中主要采用无接触式的电流霍尔传感器，采样电机定子电流。位置检测的精度直接影响到伺服系统的定位精度，对于采用矢量控制的永磁同步伺服系统，位置检测还直接影响坐标变换的精度。实际应用的位置检测器有光电编码器和无刷旋转变压器。光学编码器能简单地检测出位置，处理电路也很简单，而且价格便宜。但对于机械振动以及烟雾尘埃等恶劣条件很敏感。无刷旋转变压器传送的是低频的正弦波信号，故坚固可靠，不受电气噪声的影响，由于处理回路的不同，分辨率可调，多用于军工产品。但需要专用的检测和转换芯片，成本高，处理电路复杂。光电编码器位置检测原理图：实际应用较多的光电编码器是复合式的光电编码器，它是一种带有简单磁极定位功能的增量式光电编码器，它输出两组信息:一组用于检测磁极位置，带有绝对信息功能，三路彼此相差120°的脉冲U、V、W;另一组完全同增量式光电编码器，输出三路方波脉冲A、B和Z。A、B两路脉冲相位差90°，这样可以方便地判断转向，Z脉冲每转一个，用于基准点定位。所有输出一般为差动形式的脉冲信号，只要速度足够快的差动接收器(如MC3486、AM26LS32)和光电隔离器(如6N137)就能够将这类脉冲信号进行处理，处理后的信号引入数字控制器的计数器单元，用于电机控制的专用控制器都集成了倍频和鉴相电路，可以增加检测精度和判别转向。U、V、W信号用于永磁同步伺服系统转子磁极的初始定位，如上图所示。旋转变压器位置检测原理图：无刷旋转变压器发出的信号是模拟量，需旋转变压器－数字转换器(RDC，如AD公司的AD2S80a)配合使用，将其转换成为数字量，以实现与数字控制器的接口，如图3所示。AD2S80a是AD公司的AD2S80系列的一种RDC芯片。它的精度可调，针对不同应用场合可以选择10bits、12bits、14bits、16bits数字化绝对位置量输出;采用对称电阻桥抑制电阻温漂、输入输出隔离技术，保证干扰降至极小;状态、控制信号数字化，可方便地与微控制器相连;需外部正弦波发生器作为旋转变压器的励磁信号源。13.4.4数字控制器单元

数字控制器是全数字伺服系统的核心部分，三环系统构成、电机控制算法实现、系统调节器计算和脉宽调制波的发出都由数字控制器完成。为了使交流伺服系统得到响应速度更快、实时性更强的数字式电流控制，数字信号处理器(DSP)被广泛应用于交流伺服系统。各大公司推出的面向电机控制的专用DSP芯片，除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。

13.4.5接口单元

在伺服系统中的接口单元中，包括指令输入接口、异步通讯接口(RS232/RS485)、CAN总线接口、I/O控制单元以及故障报警单元。指令输入接口，接收CNC系统发出的位置指令脉冲以及模拟形式的速度指令。异步通讯接口，多作为用户对系统的操作接口，短距离采用RS232协议，距离较远时采用RS485协议。CAN总线是一种工业现场总线标准，在一些新推出的DSP器件(如TI的TMS320LF240X)中，集成了CAN总线的收发器。这使得伺服装置可以更方便的运用于大型的工业控制系统中。I/O控制单元，接收和发送各种I/O信号形式的指令和状态，伺服使能、CW/CCW禁止、脉冲禁止、报警清除、位置/速度到达、伺服准备好等等。故障报警单元，包括码盘故障报警