工业电机效率提升的关键——编码器

原创李宁远电子发烧友网

2023年11月06日 23:01

电子发烧友网报道（文/李宁远）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。编码器本质上其实也是一种传感器，测量旋转或者位移，并将其转换成电信号用于确定位置、计数、速度或方向。

为了提高电机控制性能，将功率逆变器和高性能位置、电流检测环路用于功率反馈级是必须的，否则电机性能和效率很难提高。位置和速度编码器反馈正是工业设备提升性能的关键一环。

编码器——提供准确的反馈信息

众所周知，将变频电压作用域使用脉冲宽度调制的电机，可以实现对电机的开环速度控制，在逆变器处于稳态或缓慢变化的动态条件下，工况也是比较平稳的。很多相对要求不高的应用会使用这种开环的速度控制，不需要编码器，设计相对简单，成本也更低。

但是开环控制需要严格的瞬态响应来让电机同步，而且开环控制的缺点也很明显，因为不存在内部的反馈，对速度的控制精度很有限，而且此后操作者对受控对象的变化便不能做进一步的控制，无法优化电流控制来提高电机效率。如果仅仅是低性能的控制，那么开环比却可以胜任

为了提高设备效率，闭环反馈被引入进来。在闭环反馈控制中，存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。自动控制建立在闭环反馈之上。

那如何提供这个闭环反馈信号，答案是编码器。现在应用在高精度位置编码信号链的编码器解决方案非常多。光学传感器、旋变器、线性可变差动变压器（LVDT）和磁传感器（AMR、GMR、TMR、霍尔）等都有相应的应用。

这些器件的应用，为驱动器提供了位置信号，驱动器基于这些反馈信号保证电机优良的速度、转矩输出性能。

从低到高分辨率的编码器选择

一般来说，最高分辨率的编码器使用光学技术的编码器，而中高分辨率的编码器使用磁或光学传感器（磁越来越多）。中低分辨率编码器使用旋变器（旋转变压器）或霍尔传感器。

现在磁性编码器的应用很常见，但是要说需要最高分辨率的应用，光电式对比电磁式无疑拥有更高分辨率而且结构更紧凑。光电编码器的精度和分辨率和码道的直接相关，增加码道分辨率和精度就越高。不过码道的增加和光电检测、通孔加工等一系列高精核心技术相关，难度很高。

在中高分辨率的应用中，随着磁编码器技术的发展，磁编码的应用已经成为主流。磁编码在以往很多利用光学编码器的应用里展现出了更耐用的特性，很多厂商有专用的感应芯片和解码芯片，为编码器提供ASIC级整体解决方案。不论是AMR、GMR还是TMR都已经能提供极精准且快速响应的位置传感，最普通的霍尔也是性价比很高的选择。

在中低分辨率应用里，旋转变压器是很常见的选择，虽然其分辨率上限没有那么高，但是在很多环境相对严苛的工业应用里，它倍受青睐。因为旋转变压器在极端环境条件（如高温以及冲击和振动）下非常可靠，独有的优势也让其应用非常稳定。

小结

编码器在电机性能的升级中发挥了重要且不可替代的作用。编码器等闭环反馈器件的应用对于工业设备来说是重要且意义重大的改变，这一改变使得电机和其他终端设备的使用效率变高，节省了大量能耗。

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