編碼器的主要功能是什麼

一，電機尾部的安裝

電機尾部的編碼器首先是為電機驅動器反饋訊號的。變頻電機尾部的編碼器對變頻器是速度閉環反饋。伺服電機尾部的編碼器對伺服驅動器是位置閉環反饋。

變頻電機上的編碼器

速度——積分到位置，對系統是半閉環

變頻電機尾部安裝編碼器好處是直接反映電機的轉速動態效能，作為相位頻率、電流-力矩-加速度的電機驅動的調速與向量控制閉環。

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

變頻器如果增加了位置控制卡PG卡後，可以有變頻器上直接的電機位置閉環。但是變頻電機都是依賴於機械傳動裝置帶動負載端，這種電機位置閉環僅僅是反映在電機高速旋轉中的位置值，而不是經過傳動減速後低速負載端的真實位置，這種位置閉環稱為半閉環。這種閉環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非同步伺服電機）尾部的編碼器，基本上是速度閉環為主，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，對系統是半閉環

伺服是天然的位置閉環。伺服電機設計的就是位置、速度、電流力矩的閉環。編碼器同步反饋電機轉子的位置，並在時間軸上微分到速度環。因此無論是控制中取速度環優先還是位置環優先的控制策略，其編碼器反饋給伺服控制器的原始資訊就是位置環。

這種閉環是針對電機的閉環，在速度上真實反映電機的轉速與電機相位，這有利於驅動器根據反饋快速調製驅動，但是對於傳動後終端的位置控制是半閉環的，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， 傳動機械磨損的除錯磨合期長，傳動可能發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，除錯過程中的引數除錯的不確定，使用磨合後的技術人員二次返回重新調整引數需再修正，這大大增加了除錯人工成本。

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，機械式絕對值式多圈編碼器的體積較大，並且量程圈數只有4096圈，往往不夠電機實際轉數。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於機械終端加裝原點開關，而單圈絕對值編碼器依賴於多圈計數器並儲存累加數值，並用各種方法掉電儲存資料。包括用電池、超級電容或者微弱自“發電”的韋根線圈。但其實這些都不是真實多圈絕對值編碼，在計數累加圈數的過程中一旦被幹擾，或者在停電後微弱的低功耗工作監測圈數的變化時被幹擾（編碼器停電低功耗工作時的訊號很微弱，被幹擾的機率增加），一旦被幹擾而圈數誤加錯誤，是無法判斷的。這將發生原點丟失的錯誤。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。只是相對於增量編碼器而言，這種丟原點的機率降低了很多。

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除錯後儲存原點位置，原點位置是永久性的。不應再發生有時原點在，有時又丟原點位置又需要重新找原點的情況。如果發生這種丟原點位置，那是假絕對值多圈編碼器。

半閉環上的不確定性，就意味著系統位置控制精度較低，降低了自動化效率，現場不確定成本將會增加。或者機械損壞及原點丟失帶來的安全性問題，尤其是終端使用者生產中停機及故障檢修損失。

二，第二編碼器——全閉環編碼器

全閉環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編碼器兩個編碼器做了專業分工：伺服電機尾部的編碼器專管電機的速度反饋閉環和電機相位的反饋，訊號連線伺服驅動器，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，訊號連線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係，同步加工有更確定性。

從第二編碼器最初的任務位置閉環來看，全閉環編碼器最好就是用全行程絕對值編碼器，不會發生原點丟失的問題。如果多軸運動中只要有一軸發生原點位置錯誤，多軸系統就亂了而不得不停機，人工干預找出是哪一軸發生了錯誤，並手動迴歸原點。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。

但是全閉環的第二編碼器由於是與終端位置直接連線反饋的尺寸，編碼器的尺寸依據實際需求而需定製化，這限制了規模化生產，而且如果再要求是絕對值編碼器，它的成本很高。由於難以大批次化，其高品質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，成本高，直接到機械剛性連線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，直驅電機的全閉環編碼器

直驅電機是沒有機械傳動的直接驅動終端位置控制，這樣電機尾部的編碼器直接就是全閉環編碼器。它相當於半閉環系統裡的第二編碼器。直驅運動系統值得發展，也是必然的發展趨勢。但直驅電機的電流環控制的要求很高，因為沒有了傳動裝置的緩衝，電機的抖動將直接反映在終端加工端。直驅電機要做好一致性難度較大，目前普及的路途有點遠。而且與上述全閉環第二編碼器的情形一樣，目前直驅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感測反饋。與系統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動的絕對位置資訊反饋，提供系統通電開機時的每個軸的絕對值位置和初始相關位置關係，相當於早期的開機找零，並隨時有每個軸的絕對值位置和各個軸的相關關係。

伺服編碼器是單個運動軸給予驅動器子系統內的。而第二編碼器是開放給大系統（例如PLC或者同步控制器等上位機母系統），各個位置做同步對比協調的基準，它的精度繞過了減速機的誤差與丟脈衝不可靠可能，是直接對應電機傳動後的位置測量反饋的。而另一個重要的是在時鐘座標上到上位系統控制器的延遲損失最小。

第二編碼器——PLC（或多軸同步控制器）的連線

伺服輔助編碼器適合用匯流排式編碼器或者乙太網編碼器，從較慢速的modbus RTU，到Canopen、powerlink、EtherCat和profinet的絕對值編碼器，這些編碼器的訊號更適合進PLC或者其他上位機控制器。

低速負載端第二編碼器，裝在機械傳動的最後一段低速端，它仍然是有可能有一級機械傳動，所以精度不如全閉環編碼器（直驅電機編碼器），但是由於只有一級傳動，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濟的絕對值多圈編碼器，可實現全行程絕對值位置反饋，可保持原點位置永久性，在裝置中可以大大提高自動化生產效率及安全性，節省人工干預及停機時間。這種用較經濟的modbusRTU絕對值編碼器的經濟附加值明顯。

2， 安全監控

。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（例如捲筒鋼絲繩等）後端，因此可協助伺服編碼器的同步比較，反饋傳動系統的安全監控。這類應用可以根據大部分PLC上位機的訊號介面選型，例如經濟型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。在多軸同步控制中除錯與維護監測時比單純的半閉環更有確定性。多軸原點位置絕對值的多軸座標對應，可保證各軸絕對值位置同步的確定性。

包括變頻電機透過第二編碼器——絕對值多圈編碼器的安裝也可實現精準多軸同步。（例如 架橋機預製梁多吊點同步）液壓油缸透過絕對值多圈編碼器的安裝，可以實現多油缸位置同步（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數。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於這個錯誤，因為閉環的偏差量的錯誤，我們已知伺服是時間偏差量（響應）與位置偏差量（精度）的閉環。伺服是一個自檢閉環的系統，對於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對映到位置偏差量是會累加的，而如果僅僅是同速閉環，會失去了位置自檢閉環，這樣的位置偏差會累加失控，而無法達到什麼時候，各自在什麼位置的同步要求了。做同步一定要有時間座標的同步與位置座標的同步。速度同速無法精確實現位置上的同步。

在位置環上，伺服編碼器反饋的位置角度，有可能並不是最後做同步的位置，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盪，在時間延遲上，系統是透過伺服驅動器獲得的伺服編碼器位置，再到做同步的母系統，這就帶來位置的很大的在機械上偏差和機械彈性的時差。於是這樣做的同步會發現電機會有可能發生很大的位置調整振盪。

在多軸同步控制中，無論是伺服電機還是變頻電機或者非同步伺服都可以安裝低速負載端的第二編碼器，可以輕鬆實現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，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更快，更易實現同步追蹤。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絕對值編碼器實現主軸編碼器。

4，工業乙太網的系統大閉環。

工業乙太網的優勢是可以連線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，乙太網訊號轉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——乙太網絕對值編碼器，用工業乙太網實現全閉環。例如POWERLINK、Ethercat、profinet絕對值多圈編碼器。

如果沒有感測器（編碼器）直接在乙太網反饋實現閉環反饋，工業乙太網就不能實現一個完整的自動化控制閉環，也就難以顯現出工業乙太網快速、安全的優勢。用工業乙太網實現多軸同步控制，至少需要有一個工業乙太網主軸絕對值編碼器建立同步基準的參考反饋。例如Ethercat和profinet。

乙太網編碼器的資料直接上傳，還可以實現生產資料記錄與管理，機械傳動監控與機械使用壽命延長，全生命週期服務等等。這就是向工業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，並實現精準定位。

相比較輔助編碼器它比全閉環編碼器更經濟，共容易實現工業乙太網組網，更容易實現輕鬆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於1000元），雖然增加了這樣一個第二編碼器的成本，但是它節省了原點開關與機械找原點的時間，大大提高了裝置自動化效率與安全性。同時也增加的系統在除錯中的確定性與安全性，節省現場除錯時間與二次返場重新修正引數時間，在系統定位精度的保證、同步控制的保證，現場除錯人工的減少，維修停機的減少等多個方面，都向終端使用者顯示出這種方案更加的靠譜可信度，而為使用者創造出附加值。

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品的競爭力，還是很有經濟附加值的。

包含齒輪箱絕對值編碼器

安裝在轉檯上的第二編碼器