电机闭环控制中的编码器二三事

电子发烧友网报道（文/李宁远）在谈论电机的时候控制是绕不开的话题，大致上对控制来进行分类有开环控制和闭环控制两种。开环控制的特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。闭环控制是将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环进而参与控制的控制方式。
 
以往将变频电压施加于逆变器采用脉冲宽度调制的电机，可以很轻松地实现对电机的开环速度控制。在很多较低性能应用中，许多电机驱动器都采用开环速度控制，这不需要编码器。随着电机向更高效率、更低能耗、更精准控制演变，编码器与电机越来越深地捆绑在一起。
 
闭环电机控制与位置编码器
 
不使用编码器的开环控制，有几个明显的弱点。由于没有反馈，电机能达到的速度精度很有限；由于不能优化电流控制，电机效率很难做得很高；必须严格限制瞬态响应，否则电机会丢步。因此很多电机应用都不再使用开环控制。比如以前大量使用开环控制的步进电机，现在也能做闭环控制。
 
闭环的电机控制通过提高电机和终端设备的使用效率，不仅实现了提高了电机运转性能可以改善要求严苛应用的质量和同步功能，还能节省大量能源。整个闭环电机控制反馈系统上功率级的功率逆变器、高性能位置检测以及电流/电压闭环反馈相互配合，电机性能和效率得以提高。
 
作为伺服系统中最关键的零部件之一，编码器一直以来扮演着能够决定伺服系统上限的重要角色。编码器通过跟踪旋转轴的速度和位置来提供闭环反馈信号，其中光学和磁编码器技术使用都非常广泛。在通用伺服驱动器中，编码器用于测量轴位置，根据编码器提供的数据从中可推导出驱动器转速。
 
光学编码器由带有精细光刻槽的码道和码盘组成。当光穿过圆盘或从圆盘反射时，光电二极管传感器检测光的变化。光电二极管的模拟输出经过放大和数字化处理后反馈给控制器。磁编码器则是由安装在电机轴上的磁传感器，传感器提供正弦和余弦模拟输出，输出经过放大和数字化处理用于控制。
 
编码器关键性能指标
 
不管使用光电还是磁编码来检测旋转或者直线位移，编码器都可以用增量式和绝对值式加以区分。二者的结构和输出信号完全不同。概括来说，增量信号不表示特定位置，只表示位置已更改，绝对信号既能表示位置的已更改也能提供绝对位置指示。
 
不论是绝对还是增量，都有几个非常重要的性能指标。首先就是分辨率，编码器的分辨率是指电机轴旋转360°时可以区分的位置数量。目前最高分辨率的编码器需要使用光学技术来实现，而中高分辨率编码器磁或光学都可以，中低分辨率编码器则使用旋变器或霍尔传感器，编码器分辨率越高越适合高精度的闭环控制。
 
当然这是仅仅从编码器的角度来说判断其分辨率和不同精度闭环控制的对应关系。并没有结合其他控制硬件、算法等因素。目前有很多应用不适用光编码，也能实现很高精度的闭环控制。
 
此外，编码器可以用来进行位置和速度反馈，这两者参考的编码器精度是不一样的。对于位置控制而言，需要着重于绝对精度，确保每一圈每一个位置输出的唯一信号与实际位置没有偏差。而速度控制更依赖于差分精度。
 
还有一个少有提及的指标，叫可重复性，即编码器返回到同一指令位置的一致性。很多闭环控制应用，设备需要做大量重复的任务，在多次重复后编码器会不会出现偏差也是一个很重要的指标。
 
小结
 
编码器的选择还是取决于应用场合和运动类型，在分辨率匹配的情况下针对位置控制、速度控制选择合适的精度。现在的编码器尤其是磁编码芯片，ASIC级整体解决方案和专用的感应芯片和解码芯片都匹配的非常好，为电机闭环控制提供了不少助力。