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SIEMENS运动控制器/伺服驱动器

SIMOTION/S120——纯技术BLOG

 
 
 

日志

 
 

再谈谈电机编码器  

2011-09-18 20:08:53|  分类: S120 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    有了变频器,就可以调节电动机电源的电压和频率,从而可以调速。变频器的控制方式有V/fVCSLVCDTC等。其中V/fSLVC控制都不需要编码器,是开环的。开环控制不能保证速度的稳定和精确,所以它只适用于调速精度不高的场合,比如风机、水泵、传送带等。VCDTC是闭环控制方式,速度和转矩都可以达到很高的精度。

要进行闭环控制,必须使用一个速度测量装置,以前有测速机,现在有编码器。编码器安装于电机轴上,电机旋转时,编码器会输出随转速而变化的信号,传送给变频器的控制单元。编码器的精度,直接影响了控制的精度。对于高精度定位的场合,使用分辨率低的编码器是不能满足控制要求的。

    编码器一般使用5VDC24VDC电源供电,输出脉冲、正余弦、或数据信号。

    1.脉冲信号

    脉冲信号是速度控制场合常用的类型,有集电极开路NPN或PNP形式的(日式驱动器常用,西门子的接口需要另外设计硬件电路),也有推挽式HTL电平和TTL电平的。对于集电极开路的脉冲编码器,其抗干扰能力差,通讯距离短,一般是为欧系厂商所唾弃的,但价格便宜,这正好符合日系产品的特点。脉冲编码器有个关键参数是每转脉冲数,比如每转输出2048个脉冲。脉冲信号是平顶的,有个很小的死区,正因为这个死区的存在,也限制了脉冲信号编码器的精度。这种脉冲信号的编码器一般有两个脉冲通道,正向旋转时,A通道信号领先B通道90度相位,反向时,A落后于B。这样可以通过编码器的信号知道电机的旋转方向。另外,有些编码器还有零脉冲,是用于信号校准的,电机每旋转一圈就会输出一个窄脉冲,也可能是别的脉冲形式。编码器信号是高速脉冲信号,如果信号接收装置在计数时有偏差,比如一圈编码器发出2048个脉冲,而信号接收装置只采集到了2047个,时间长了会有累积误差。有了零脉冲,每一转都会纠正计数值,当然如果接收装置采集到3000个脉冲时,仍然没收到零脉冲,就应该有相应的故障信息报出来。总之,带零脉冲以后,编码器信号的监视功能会增加很多,提高了系统可用性。

    电机在3000rpm旋转时,分辨率2048的编码器每分钟有3000*20486144000个脉冲输出,这个脉冲频率是很高的,所以编码器信号需要有专门的高速计数通道来读取(比如S120变频器的SMC30),向外输出速度值或位置值,如果想直接读取脉冲信号是不可能的,要捕捉编码器的零脉冲也是很困难的,这个脉冲出现的太快了,一般不会把这个信号引入上游控制系统。

在实际应用当中,对于调节速度、张力、转矩的场合,使用HTL/TTL编码器是比较合适的,这在使用三相异步鼠笼电机的生产线上是十分常见的。

    2.正余弦信号

    输出正余弦信号的编码器与脉冲信号的类似,电机每转一圈就输出比如2048个正弦波。A相为正弦信号,B相为余弦信号,零脉冲是脉冲信号。每个周期的HTL/TTL脉冲信号只有两个电平,或高或低,这就是前面讲到的死区,而正弦波信号在整个周期内是各不相同的,通过接收装置对这个正弦信号进行细分,可以得到更高的精度,正弦波的峰峰值一般在1V~1.2V之间,比如在编码器上会有1Vpp的标记。比如一个脉冲数为2048的正余弦编码器,每个正弦波细分2048份,那么电机每转一圈可以有2048*20484194304个脉冲,比HTL/TTL编码器的精度高得多,所以常用于高精度定位的场合。

    说到定位,即位置控制,伺服控制,运动控制场合,最常用的电机类型是三相永磁同步电机,与异步电机不同的是,同步电机在运行前需要知道转子的磁极位置,而最好通过编码器就能直接得到转子的磁极位置,不然就要加霍尔元件来识别磁极位置。磁极位置的识别是另一个话题了。

    当将正余弦编码器与同步电机配合使用时,还需要一路信号为记录磁极位置。在西门子的产品中有一种称为带C/D Track的正余弦编码器,这个C/D Track每转一圈输出一个正弦波信号,在识别出电机磁极位置时,系统会记录C/D Track和磁极位置的相位差并永久保存,这样根据C/D Track的电压就可以得到电机转子的磁极位置。

    正余弦信号也有的带有零脉冲,这与HTL/TTL脉冲编码器的零脉冲功能是类似的。

    3.旋转变压器

    旋转变压器Resolver也是一种常用的编码器,简称旋变。旋变每转输出一个或几个正余弦信号,这取决于它的极对数。比如极对数为1对的旋变每转输出一个正余弦信号,这与正余弦编码器的C/D Track是一样的。可以看出Resolver本身的精度是比较低的,但旋变有一个好处,那就是可以用于环境恶劣的场合,比如机械振动大的场合。

    4.数据信号

    以上讲到的编码器都是使用物理信号来反映转速的,是增量型编码器。如果要在断电时也记录电机转子的位置,就需要使用绝对值编码器。绝对值编码器发出的是数据信号,常用的接口有SSIEnDATHyperFace(西门子不支持)等,传输的信号是有实际意义的数据。由于绝对值编码器在断电时仍然能记录电机位置,所以常用于定位的场合,当它配合永磁同步电机使用时,也不需要C/D Track了。

    5.编码器接口

    对于西门子驱动器SINAMICS S120系列,针对不同的编码器有不同的接口模块SMCSMCSensor Module Cabinet的缩写,意为柜内安装的传感器模块,其防护等级为IP20,另外还有SME,是Sensor Module External的缩写,意为外部安装的传感器模块,其防护等级为IP65

SMx10:旋变

SMx2x:正余弦,SSIEndat2.1

SMx30HTL/TTLSSI

SMC40:Endat2.2 标识符Endat22
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