電機閉環控制中的編碼器二三事

電子發燒友網報道（文/李寧遠）在談論電機的時候控制是繞不開的話題，大致上對控制來進行分類有開環控制和閉環控制兩種。開環控制的特點是系統的輸出量不會對系統的控制作用發生影響。閉環控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環進而參與控制的控制方式。

以往將變頻電壓施加于逆變器采用脈沖寬度調制的電機，可以很輕松地實現對電機的開環速度控制。在很多較低性能應用中，許多電機驅動器都采用開環速度控制，這不需要編碼器。隨著電機向更高效率、更低能耗、更精準控制演變，編碼器與電機越來越深地捆綁在一起。

閉環電機控制與位置編碼器

不使用編碼器的開環控制，有幾個明顯的弱點。由于沒有反饋，電機能達到的速度精度很有限；由于不能優化電流控制，電機效率很難做得很高；必須嚴格限制瞬態響應，否則電機會丟步。因此很多電機應用都不再使用開環控制。比如以前大量使用開環控制的步進電機，現在也能做閉環控制。

閉環的電機控制通過提高電機和終端設備的使用效率，不僅實現了提高了電機運轉性能可以改善要求嚴苛應用的質量和同步功能，還能節省大量能源。整個閉環電機控制反饋系統上功率級的功率逆變器、高性能位置檢測以及電流/電壓閉環反饋相互配合，電機性能和效率得以提高。

作為伺服系統中最關鍵的零部件之一，編碼器一直以來扮演著能夠決定伺服系統上限的重要角色。編碼器通過跟蹤旋轉軸的速度和位置來提供閉環反饋信號，其中光學和磁編碼器技術使用都非常廣泛。在通用伺服驅動器中，編碼器用于測量軸位置，根據編碼器提供的數據從中可推導出驅動器轉速。

光學編碼器由帶有精細光刻槽的碼道和碼盤組成。當光穿過圓盤或從圓盤反射時，光電二極管傳感器檢測光的變化。光電二極管的模擬輸出經過放大和數字化處理后反饋給控制器。磁編碼器則是由安裝在電機軸上的磁傳感器，傳感器提供正弦和余弦模擬輸出，輸出經過放大和數字化處理用于控制。

編碼器關鍵性能指標

不管使用光電還是磁編碼來檢測旋轉或者直線位移，編碼器都可以用增量式和絕對值式加以區分。二者的結構和輸出信號完全不同。概括來說，增量信號不表示特定位置，只表示位置已更改，絕對信號既能表示位置的已更改也能提供絕對位置指示。

不論是絕對還是增量，都有幾個非常重要的性能指標。首先就是分辨率，編碼器的分辨率是指電機軸旋轉360°時可以區分的位置數量。目前最高分辨率的編碼器需要使用光學技術來實現，而中高分辨率編碼器磁或光學都可以，中低分辨率編碼器則使用旋變器或霍爾傳感器，編碼器分辨率越高越適合高精度的閉環控制。

當然這是僅僅從編碼器的角度來說判斷其分辨率和不同精度閉環控制的對應關系。并沒有結合其他控制硬件、算法等因素。目前有很多應用不適用光編碼，也能實現很高精度的閉環控制。

此外，編碼器可以用來進行位置和速度反饋，這兩者參考的編碼器精度是不一樣的。對于位置控制而言，需要著重于絕對精度，確保每一圈每一個位置輸出的唯一信號與實際位置沒有偏差。而速度控制更依賴于差分精度。

還有一個少有提及的指標，叫可重復性，即編碼器返回到同一指令位置的一致性。很多閉環控制應用，設備需要做大量重復的任務，在多次重復后編碼器會不會出現偏差也是一個很重要的指標。

小結

編碼器的選擇還是取決于應用場合和運動類型，在分辨率匹配的情況下針對位置控制、速度控制選擇合適的精度?，F在的編碼器尤其是磁編碼芯片，ASIC級整體解決方案和專用的感應芯片和解碼芯片都匹配的非常好，為電機閉環控制提供了不少助力。