伺服編碼器是工業機器人技術核心伺服電機的必配，對于伺服電機性能乃至機器人性能的作用極為關鍵。不僅僅是工業機器人，伺服電機在自動化應用已越來越廣泛。隨著工業機器人大熱，而其中的伺服編碼器也成為自動化行業關注的焦點之一。

（圖片來自于網絡）

 

工業編碼器的市場大致可分為自動化加工應用類（FA)編碼器、過程控制及記錄類(PA)編碼器、高精度測量類編碼器、數字信息化應用類編碼器、安全保護類編碼器、內置儀表類編碼器等等，其中在自動化加工應用類編碼器中，又由于伺服電機的熱度分出了電機反饋專用型編碼器—伺服反饋編碼器和矢量變頻反饋編碼器。由于近年來伺服電機的迅猛發展和工業機器人熱點，有關伺服編碼器的話題很熱，也頗有困惑與爭議。我在此伺服編碼器簡介系列的介紹中，與網友們共同探討伺服編碼器的各種特點與爭論疑點。

 

伺服電機與變頻電機根本的不同是必須配有編碼器反饋，在每一個時刻的位置環、速度環和電流環的三閉環控制。如下圖：

伺服反饋編碼器對伺服電機的重要特性具有決定性的影響：

1，定位精度

2，速度穩定性

3，帶寬，它決定驅動指令的響應時間和抗干擾性能

4，伺服剛性

5，電機尺寸

6，功率損耗

7，噪音與發熱

8，安全性

 

其中特別是伺服編碼器在輸出信號特征上與普通編碼器的不同：

1，驅動換向信號組：伺服編碼器（同步伺服電機）與普通編碼器不同的第一個特點，是要提供啟動電流換向的傳感信號反饋。在同步伺服電機的啟動時，電極啟動位置由編碼器提供，對應每組UVW繞組的位置反饋，以確定電機繞線組線圈驅動電流相位。當伺服控制需要加速、減速時，通過驅動電流相位的提前量與滯后量，控制電機的加速與減速轉換，以達到對電機加速度正與反的控制。

應對這樣的位置反饋要求，伺服編碼器換向信號組主要有以下三種形式：

 

帶有UVW信號

一圈一個周期的正余弦的CD信號（模擬量單圈絕對值信號）

 

數字量單圈絕對值編碼器信號

 

下圖是這三種不同換向信號的光電碼盤

 

2，高分辨率輸出的信號組：電機轉速與加速平穩性要求的傳感反饋，需要編碼器輸出的高分辨率信號組。在高速旋轉過程中，要求采樣周期盡可能短，而在很短的采樣周期內可分辨讀取的變化量信號足夠多，才能得到精確的速度反饋信息。這就需要編碼器具有高分辨率以獲得單位時間內更多的角度變化分辨，確定速度計算的精度。

伺服編碼器輸出的這組作為高分辨率的信號常見的也有以下幾種：

2500線方波脈沖信號——四倍頻

2048線AB相正余弦信號——細分

高位數的數字串行信號——17位、19位、22位、25位高分辨率等等。

3，電子標簽與安全保護。編碼器在電機上安裝初始位置的寄存，便于每次電機啟動。以及提供各種參數保存、校驗碼、預設報警等等。如果選用絕對值編碼器，宜選用具有雙向數字化信號的接口，可實現電機安裝初始化時控制器向編碼器寫入電子標簽并保存，例如電機轉子原點位置的坐標旋轉并該單電機永久性保存初始位置。例如保存：2018年1月24日臘八節 @Q

 

4，綜合特性：精度與輸出刷新周期。伺服電機的加速度、加加速度響應及精度的傳感反饋的重要貢獻，也就是伺服的剛性.——這才是伺服編碼器綜合性能的核心要素。這需要編碼器在有高分辨率的同時還具有高精度，這個高精度包括角度位置的精度與輸出刷新周期、反饋時間與執行到位時間差的時差高精度

伺服的剛性：

剛性一詞，原本出自于聯軸器，指聯軸器兩端輸入軸與輸出軸的聯結是剛性的還是柔性的，如果是剛性聯接，那么輸入軸旋轉時，輸出軸在旋轉角度與時間響應上沒有任何損失。而如果是柔性的聯接，由于有柔性彈性，在角度與時間響應上會有損失，或振蕩。在伺服控制中，伺服剛性是指輸入伺服控制指令到系統輸出的速度與位置的執行到位能力，尤其是在快速的變加速度中指令輸入與系統執行輸出到位的響應程度?；蛘哒f伺服的“聽話程度”。

 

伺服剛性取決于編碼器的精度、輸出刷新率，到伺服電機的軸系精度、伺服運算與輸出響應，力矩與負載的變化、調制補償算法等等很多因素，由于伺服算法獲得信息的來源是編碼器信號的反饋，因此要做好伺服剛性首先就是要有合適的伺服編碼器性能與之匹配，這其中最主要的就是編碼器的精度與信號輸出刷新時間。目前市場上對伺服編碼器精度理解常常僅以編碼器的分辨率來理解，事實上編碼器的分辨率與精度是兩個概念，而信號輸出的刷新周期，也就是編碼器的各種數字信號比較，也是市場上議論的焦點，在本系列的后面幾篇我試圖來與網友們討論交流這些問題.

 

5,全閉環編碼器：直驅伺服電機（DD馬達）和直線驅動電機無需減速機構，直接輸出力矩與位置定位，其所配的編碼器為角度編碼器或直線光柵尺，它們是全閉環編碼器。需要經過減速裝置的伺服電機，其所配的編碼器是半閉環編碼器，由于減速機構的加工精度、安裝精度、齒隙、使用磨損、溫度環境帶來的變化，如需要有更高的精度，需要再配直線光柵尺，或者低速端加裝多圈絕對值編碼器（要玩這個可以找@Q。) ，構成全閉環（或類全閉環）編碼器。另外在多電機協調同步控制時，有各個電機全閉環編碼器的同步對比，才能夠確保操作同步的可靠性。

 

6，內置電子多圈計數器功能：在加有減速機的半閉環情況下，為省去加裝全閉環編碼器，而利用伺服尾部編碼器的旋轉圈數計數器和編碼器的角度位置，來推算出減速機輸出端（低速端）的定位位置。定位精度有限，受制于減速裝置精度、齒隙與環境溫度等，以及算法等等多重因素。

 

綜合上述伺服電機編碼器在功能上的要求，目前市場上的常見的伺服編碼器有如下幾種：

1，2500線方波脈沖ABZ（含反相），和UVW（含反相）的換向信號，其中2500線方波脈沖信號可以經過一次四倍頻而達到實際分辨率10000/360度，是對應電機控制的位置與速度環，UVW是對應同步伺服電機繞組線圈的位置換向，有4對極、8對極及更多對極等等。這種編碼器的輸出芯線很多，并包含電源兩根線在內，總共有14芯線。 

2，2048線AB相含反相的正余弦信號輸出與單圈周期的CD相含反相的正余弦信號，這都需要伺服控制器接收設備再給正余弦信號細分，獲取更高分辨率（AB），以及單圈位置（CD）控制換向。

信號線為A+A-，B+B-，C+C-，D+D-,電源正負。

3，2048線AB相含反相的正余弦信號，并加數字串行信號。

例如早期的hiperface1.0，RS485信號+AB正余弦，電機啟動時通過絕對值的信號（RS485）獲取電機轉子線圈UVW位置，旋轉運行時選用增量的AB正余弦信號，伺服控制器接收正余弦信號后細分為更高的分辨率（例如細分10位，2048 X 1024）

或者類似方式的Endat2.1，RS422信號+AB正余弦

或者SSI，RS422信號+AB正余弦

4，上述2的正余弦信號在編碼器內部細分整合為數字信號，或者3中的兩組信號合并在一組串行數字信號輸出，提供14位，17位，19位，22位，25位等等數字信號。例如Endat2.2，Biss，HiperFace，RS485，EtherCat（或其他總線式、以太網式信號），DSL等等。

在上述我們提到的17位~25位（單圈）分辨率的編碼器，都不是指編碼器的精度，而是指編碼器的分辨率，同樣是17位的編碼器，很有可能精度是不一樣的，例如用磁電原理細分的17位（簡稱磁編17位），其精度不如光學碼盤17位的精度，即使是磁編也有很多種模式，其精度也相差很大。這是因為這些高位數分辨率的編碼器內部都是依據原始信號正余弦信號的細分獲得的高分辨率，編碼器信號精度取決于編碼器原始信號獲得的方式、信號品質與系統精度，以及細分與補償帶來的電子誤差。

 

Q:為什么說同樣是17位的編碼器，精度有可能不一樣，甚至相差很多？

 

Q:正余弦信號是什么信號？什么叫細分？

 

A:下一篇再講《編碼器正余弦信號細分及分辨率與精度》。

各位看官，且聽下回分解。

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關于伺服編碼器系列的介紹，我需要說明兩點：1，我本人沒有做過伺服系統。只是長期與伺服用戶交流的積累。2，我本人也沒有做過伺服編碼器，而是早期及長期對德國海德漢等國外品牌編碼器的學習與交流。而有關此次伺服編碼器系列的介紹，是多年來伺服編碼器成為了熱點，因在技術論壇、QQ群、網上公開課等場合網友出現的各種有關問題的提問，我在回答眾多網友提的有關伺服編碼器的問題的積累，以及市場上網友感到困惑問題的解答的匯總，擺在這里便于我自己查找再回復網友的問題，同時也能與更多的網友交流，或者作為需要的網友的參考資料長期可查找。歡迎有伺服經驗的網友在回復里參與提出不同意見、討論，或提問，或投稿。

 

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