编码器在伺服的作用与常见伺服编码器

伺服编码器是工业机器人技术核心伺服电机的必配，对于伺服电机性能乃至机器人性能的作用极为关键。不仅仅是工业机器人，伺服电机在自动化应用已越来越广泛。随着工业机器人大热，而其中的伺服编码器也成为自动化行业关注的焦点之一。

（图片来自于网络）

工业编码器的市场大致可分为自动化加工应用类（FA)编码器、过程控制及记录类(PA)编码器、高精度测量类编码器、数字信息化应用类编码器、安全保护类编码器、内置仪表类编码器等等，其中在自动化加工应用类编码器中，又由于伺服电机的热度分出了电机反馈专用型编码器—伺服反馈编码器和矢量变频反馈编码器。由于近年来伺服电机的迅猛发展和工业机器人热点，有关伺服编码器的话题很热，也颇有困惑与争议。我在此伺服编码器简介系列的介绍中，与网友们共同探讨伺服编码器的各种特点与争论疑点。

伺服电机与变频电机根本的不同是必须配有编码器反馈，在每一个时刻的位置环、速度环和电流环的三闭环控制。如下图：

伺服反馈编码器对伺服电机的重要特性具有决定性的影响：

1， 定位精度

2， 速度稳定性

3， 带宽，它决定驱动指令的响应时间和抗干扰性能

4， 伺服刚性

5， 电机尺寸

6, 功率损耗

7， 噪音与发热

8， 安全性

其中特别是伺服编码器在输出信号特征上与普通编码器的不同：

1，驱动换向信号组：伺服编码器（同步伺服电机）与普通编码器不同的第一个特点，是要提供启动电流换向的传感信号反馈。在同步伺服电机的启动时，电极启动位置由编码器提供，对应每组UVW绕组的位置反馈，以确定电机绕线组线圈驱动电流相位。当伺服控制需要加速、减速时，通过驱动电流相位的提前量与滞后量，控制电机的加速与减速转换，以达到对电机加速度正与反的控制。

应对这样的位置反馈要求，伺服编码器换向信号组主要有以下三种形式：

带有UVW信号

一圈一个周期的正余弦的CD信号（模拟量单圈绝对值信号）

数字量单圈绝对值编码器信号

下图是这三种不同换向信号的光电码盘

2，高分辨率输出的信号组：电机转速与加速平稳性要求的传感反馈，需要编码器输出的高分辨率信号组。在高速旋转过程中，要求采样周期尽可能短，而在很短的采样周期内可分辨读取的变化量信号足够多，才能得到精确的速度反馈信息。这就需要编码器具有高分辨率以获得单位时间内更多的角度变化分辨，确定速度计算的精度。

伺服编码器输出的这组作为高分辨率的信号常见的也有以下几种：

2500线方波脉冲信号——四倍频

2048线AB相正余弦信号——细分

高位数的数字串行信号——17位、19位、22位、25位高分辨率等等。

3，电子标签与安全保护。编码器在电机上安装初始位置的寄存，便于每次电机启动。以及提供各种参数保存、校验码、预设报警等等。如果选用绝对值编码器，宜选用具有双向数字化信号的接口，可实现电机安装初始化时控制器向编码器写入电子标签并保存，例如电机转子原点位置的坐标旋转并该单电机永久性保存初始位置。例如保存：2018年1月24日腊八节 @Q

4，综合特性：精度与输出刷新周期。伺服电机的加速度、加加速度响应及精度的传感反馈的重要贡献，也就是伺服的刚性.——这才是伺服编码器综合性能的核心要素。这需要编码器在有高分辨率的同时还具有高精度，这个高精度包括角度位置的精度与输出刷新周期、反馈时间与执行到位时间差的时差高精度

伺服的刚性：

刚性一词，原本出自于联轴器，指联轴器两端输入轴与输出轴的联结是刚性的还是柔性的，如果是刚性联接，那么输入轴旋转时，输出轴在旋转角度与时间响应上没有任何损失。而如果是柔性的联接，由于有柔性弹性，在角度与时间响应上会有损失，或振荡。在伺服控制中，伺服刚性是指输入伺服控制指令到系统输出的速度与位置的执行到位能力，尤其是在快速的变加速度中指令输入与系统执行输出到位的响应程度。或者说伺服的“听话程度”。

伺服刚性取决于编码器的精度、输出刷新率，到伺服电机的轴系精度、伺服运算与输出响应，力矩与负载的变化、调制补偿算法等等很多因素，由于伺服算法获得信息的来源是编码器信号的反馈，因此要做好伺服刚性首先就是要有合适的伺服编码器性能与之匹配，这其中最主要的就是编码器的精度与信号输出刷新时间。目前市场上对伺服编码器精度理解常常仅以编码器的分辨率来理解，事实上编码器的分辨率与精度是两个概念，而信号输出的刷新周期，也就是编码器的各种数字信号比较，也是市场上议论的焦点，在本系列的后面几篇我试图来与网友们讨论交流这些问题.

5,全闭环编码器：直驱伺服电机（DD马达）和直线驱动电机无需减速机构，直接输出力矩与位置定位，其所配的编码器为角度编码器或直线光栅尺，它们是全闭环编码器。需要经过减速装置的伺服电机，其所配的编码器是半闭环编码器，由于减速机构的加工精度、安装精度、齿隙、使用磨损、温度环境带来的变化，如需要有更高的精度，需要再配直线光栅尺，或者低速端加装多圈绝对值编码器（要玩这个可以找@Q。) ，构成全闭环（或类全闭环）编码器。另外在多电机协调同步控制时，有各个电机全闭环编码器的同步对比，才能够确保操作同步的可靠性。

6，内置电子多圈计数器功能：在加有减速机的半闭环情况下，为省去加装全闭环编码器，而利用伺服尾部编码器的旋转圈数计数器和编码器的角度位置，来推算出减速机输出端（低速端）的定位位置。定位精度有限，受制于减速装置精度、齿隙与环境温度等，以及算法等等多重因素。

综合上述伺服电机编码器在功能上的要求，目前市场上的常见的伺服编码器有如下几种：

1， 2500线方波脉冲ABZ（含反相），和UVW（含反相）的换向信号，其中2500线方波脉冲信号可以经过一次四倍频而达到实际分辨率10000/360度，是对应电机控制的位置与速度环，UVW是对应同步伺服电机绕组线圈的位置换向，有4对极、8对极及更多对极等等。这种编码器的输出芯线很多，并包含电源两根线在内，总共有14芯线。

2，2048线AB相含反相的正余弦信号输出与单圈周期的CD相含反相的正余弦信号，这都需要伺服控制器接收设备再给正余弦信号细分，获取更高分辨率（AB），以及单圈位置（CD）控制换向。

信号线为A+A-，B+B-，C+C-，D+D-,电源正负。

3，2048线AB相含反相的正余弦信号，并加数字串行信号。

例如早期的hiperface1.0，RS485信号+AB正余弦，电机启动时通过绝对值的信号（RS485）获取电机转子线圈UVW位置，旋转运行时选用增量的AB正余弦信号，伺服控制器接收正余弦信号后细分为更高的分辨率（例如细分10位，2048 X 1024）

或者类似方式的Endat2.1，RS422信号+AB正余弦

或者SSI，RS422信号+AB正余弦

4，上述2的正余弦信号在编码器内部细分整合为数字信号，或者3中的两组信号合并在一组串行数字信号输出，提供14位，17位，19位，22位，25位等等数字信号。例如Endat2.2，Biss，HiperFace，RS485，EtherCat（或其他总线式、以太网式信号），DSL等等。

在上述我们提到的17位~25位（单圈）分辨率的编码器，都不是指编码器的精度，而是指编码器的分辨率，同样是17位的编码器，很有可能精度是不一样的，例如用磁电原理细分的17位（简称磁编17位），其精度不如光学码盘17位的精度，即使是磁编也有很多种模式，其精度也相差很大。这是因为这些高位数分辨率的编码器内部都是依据原始信号正余弦信号的细分获得的高分辨率，编码器信号精度取决于编码器原始信号获得的方式、信号品质与系统精度，以及细分与补偿带来的电子误差。