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变频电机为什么要用编码器?变频电机、异步伺服电机的双编码器闭环以及该怎么选型

2019年04月15日 15:17:36 来源:@Q 裘奋 AQ编码

在自动化控制中经常会碰到各种电机的控制,在输送带、升降机、提升小车等较大功率的电机大部分是用变频电机,各个品牌PLC+变频器驱动控制变频电机也很普及了。

但是,用户经常会有这样那样的问题出现:

变频电机为什么要装编码器?

不装编码器也行吗?

变频电机装了编码器,就是可以作为异步伺服控制了?就可以做定位控制了吗?

有些变频电机控制不仅装了一个编码器,还有双编码器闭环,是怎么回事?

有人说,“变频电机做不好定位的,也做不好同步,要做同步控制就要换同步伺服电机”?

变频电机的编码器信号经常被干扰,也很容易坏,该怎么选编码器呢?

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本文先与大家讨论一下变频电机为什么要装编码器这个问题。

一、基本概念

变频电机驱动没有位置环。变频电机上的编码器是“速度编码器”,是为精确计算电机反电动势的速度反馈。电机反电动势与电机转子转速成正比。

由于伺服电机的普及使用,现在很多控制的思路都会向伺服电机比较与衡量,尽管变频控制早于伺服控制。伺服电机的控制是位置环、速度环、力矩环的闭环控制,这在永磁同步电机的设计原理上就有体现,驱动电流的相位与转子的位置同步,伺服电机的驱动已确定了位置环是“天然”闭环的。而在变频电机驱动是异步的,有时也称为异步电机,即使加上电机后部编码器的反馈,它也只有速度环,没有在电机驱动上的“位置环”,因此这个编码器就是“速度编码器”。

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变频电机编码器作为速度编码器,它主要的目的是作为电机转子反电动势的计算,以达到对应当前电机反电动势的精准驱动控制。

当驱动电流启动电机转子旋转,根据电磁定律,当磁场变化时,附近的导体会产生感应电动势,其方向符合法拉第定律和楞次定律,与原先加在线圈两端的电压正好相反。这个电压就是反电动势。

以能量守恒法则:

电机驱动器送出的电能=机械能(驱动电流与反电动势平衡)+损耗(电机电流阻抗热损、机械阻力、配阻箱热损等)。

电机在启动加速时,必须达到驱动电流产生的旋转势能大于反电动势能(矢量为正),但也不能过大,过大的电流是损耗在电机热能和配阻箱热能上的。速度编码器的反馈提供给变频器计算反电动势,以使驱动旋转势能正好大于反电动势能。

每台电机有各自的特性常数,反电动势与电机转子转速和这个特性常数成正比关系。

反电动势=特性常数X转子转速

安装有编码器的变频电机,编码器信号反馈给变频驱动器,计算出当前的电机反电动势,变频驱动器给出合理的控制电流。

当编码器反馈给变频器的信号计算出电机转速偏低,远低于设计的对应驱动电流下电机应该达到的旋转速度,此时称为电机驱动“失速”,变频电机失速意味着反电动势偏低,电能都用到了热损上去了(反电动势偏低,电压分配给阻抗上),此时电机线圈电阻抗低,电流增大而电机发烫,或者变频器电流偏大,有可能就会烧损电机或者变频器,这时需要失速保护,而停止电机驱动。

对应这种可能出现的变频电机失速,早期常用的方法就是把电机功率和变频器功率设计的更大,要有足够的大,有足够的余量对应大电流热损,防止烧坏电机或者变频器器件,并且需要配备一个很大的配电阻箱,过电压分配将瞬间启动时的过余能量在配电阻箱平衡。这就造成电机设计的体积大,变频器效率低的浪费。而且在电机驱动加速时浪费了很多能量在热损上。

变频电机增加安装编码器,就可以提高电机与变频器在启动时的能量效率,减少电机与变频器损坏的可能。

一个比喻,开车的老司机都知道,车辆从低速启动时是最耗油的,如果是上坡加速更加耗油。电机驱动也是一样的道理,电机的能量损耗大部分是在启动加速时。变频电机如果想要真正达到节能的效果,最好就要加编码器反馈,在启动时精细化控制电流,减少启动热损的能量浪费,同时也保护电机与变频器不易损坏。

因此,如果变频电机编码器选型与安装得当,由于电机与变频器效率的提高,损害故障的减少,并且能真正体现变频电机的节能效果,多安装一个编码器所获得的效益是远远大于一个编码器的价格。

二、矢量控制模式,编码器反馈可提高加速度-力矩控制的执行力

矢量是指有方向性的控制。电机驱动的势能保持对反电动势的势能为正时,是加速。

电机驱动的势能保持对反电动势的势能为负时,是减速。

矢量控制是对电机的加减速执行力效果的精细化控制,尤其是在电机启动低速加速,和电机减速定位停止时(低速段)的执行力精准性。

以牛顿第二定律来言:F=kma;F=力;m=质量;k=惯性常数;a=加速度

加(减)速度对应电机力矩,矢量控制对应电机力矩控制的执行力。如果要达到矢量控制的精准性,需要转子加速度的精确反馈,最好由编码器作为加速度计算的反馈传感器。

也有电机用霍尔传感器作为速度加速度反馈;也有无传感器的方案,是利用电机自身线圈采样反电动势采集计算。但是,霍尔传感器和无传感器方案中,在低速时的反馈采集精度都很差,这就是说在电机启动低速时,和电机减速停止时的矢量控制没有了精度,是粗糙的控制。

安装有速度编码器的传感反馈,一般为1024PPR的脉冲反馈,精度高于霍尔传感器,或者无传感器的电机线圈自身反电动势的精度,尤其是在低速启动时的高效节能,和在减速停止时的定位执行精准度。

回到本文开头的问题,变频电机不装编码器也行吗?

当然可以。不过它就没有了低速时的速度与加速度的反馈精度,低速时驱动器控制精度也就没有了。而电机能耗在电机启动加速(低速)时最大,电机与变频器的故障损坏在电机启动加速(低速时)占50%以上。

三、异步伺服控制模式需双编码器闭环——异步电机加减速的响应执行力延迟与减速机精度问题。

前面讨论了,异步电机不同于同步电机,在异步电机驱动环节没有位置闭环,是依赖速度对时间的积分得到位置。我们知道,伺服控制是指位置环、速度环、力矩环的三环闭环控制。位置环与速度环本应该是各自独立的,尽管有位置变化/时间=速度,而速度x时间=位置的计算,但是这样的计算在同步电机可行,在异步电机不可行——误差与执行响应延迟上的不同。因为是异步控制,速度反馈到执行响应的误差假设控制在千分之一以内、每秒,对于异步控制这已经是不错的精度了,那么一千秒钟的位置积分误差累加最大就可能达到了每秒误差的一千倍!(17分钟)。为此,在有的异步电机控制器里,用电机上安装的编码器直接做位置闭环计算,而不用速度环的积分得到电机位置,但这又遇到了另一个问题——实际要求的工艺端在机械传动末端,机械传动与减速机的误差与延迟影响位置控制执行力问题。

精密减速机问题

减速机的作用是一个杠杆原理,在减速机(支点)的输入端,用较小的力(用较小功率的电机)走较多的路(减速前电机转速高,走的圈数多),通过减速机的减速比,使得杠杆支点的另一端减速机输出端旋转走较少的路(减速后输出转速低,走的圈数少)却获得放大的输出力,这是杠杆原理。但是使用减速机不仅仅是杠杆减速比这么简单,它同时也带来了机械精度损失、机械磨损、机械摩擦等阻力效能损失、传动齿轮的精度使用寿命减少等问题,以及减速机输入输出时间响应的损失。

目前的同步伺服电机的大量普及,还大都在较小功率电机的使用,小型伺服电机的减速机设计的主要精力是在精密性上,而在减速机另外一些重要参数,如力矩效能、材料特性、机械磨损上要求并不突出。而异步电机常常用在较大功率输出要求上,减速机厂家把关注力放在了材料特性、机械磨损、输出力矩效能上,而在末端机械位置精度要同时达到像小型伺服电机减速机那样的精度已经很难了。除非是在机器人手臂上使用,机器人手臂减速机必须同时又有精度保证,又要有力矩与机械材料耐磨损特性。目前机器人减速机基本由日本两家减速机公司垄断,也是因为这种输出大力矩耐磨损,又要同时有高精度保证的减速机的难度。其他大部分的异步伺服电机不可能配备这种昂贵又被别人垄断的精密减速机,他们只能放弃在减速机末端的机械位置精度。

如果还要求达到异步伺服“位置环”的控制精度要求,解决的方案就是在机械末端再加装一个“位置编码器”,这个机械传动末端的编码器也称为“第二编码器”“负载端工艺轴编码器”。例如可以装在减速机的输出端,如下图。

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这样,在电机轴尾部有一个高速的“速度编码器”,在电机减速传动的机械末端有一个低速的“位置编码器”。根据编码器的应用特性,速度编码器选用增量脉冲编码器,脉冲频率与速度对应;位置编码器选用绝对值编码器(多圈量程),绝对值编码器的编码每一个位置唯一,无需计数器不担心干扰与误差累加,正好与位置环控制对应。

这就是本文开头提出的一个问题,双编码器闭环控制是怎么回事。

因为异步电机驱动没有位置环,减速机的误差与位置响应延迟,异步伺服控制(或者变频电机的位置环定位控制)需要有两个编码器,速度编码器与位置编码器是分开的(不同于同步电机),因为误差累加,速度编码器不可以用时间积分累加获得位置环;因为传动响应延迟,位置环编码器不可以对时间微分获得速度环,控制精度不够。

对于变频电机,如果想只用一个编码器既作为速度闭环,又作为位置闭环,那是徒劳的。当只有一个编码器时,或者是速度闭环,或者是位置闭环,而不能兼顾。

需要在两个位置上安装两个编码器,在变频电机轴上(后部)是速度编码器,在机械传动末端安装的第二编码器是位置编码器。

这种控制方式,为变频电机、异步伺服控制的“双编码器闭环”模式。

典型的如风力发电变桨叶控制,下图为工博会上KEB驱动器P6展示的双编码器闭环控制原理图

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四、PLC+变频器+编码器的位置控制,变频电机也是可以做得好定位控制的。

在伺服电机还没有大量普及的时候,普通电机+编码器+PLC的位置闭环做定位就已经有很多应用了,在加入变频器后,这种应用更普及。钢厂的氧枪定位、送料小车定位、转炉倾动定位,在港口机械上的龙门吊起吊、双钩同步、大车行走同步纠偏,在注塑机上有开模合模定位,等等大量的变频器+编码器+PLC的应用实例。与同步伺服电机相比,就是速度响应与精度的要求在提高。

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港口机械的自动化定位控制

从原理上讲,一台电机有四个输出内容----力量、速度、转角位置,和浪费的部分-无用的空间电磁场、反向电动势和热损。异步电机(变频电机)从一开始是一个力量输出(功率、力矩)设备作为设计的,后来加入了变频控制器可以调节速度。如果再加入机械末端位置编码器进PLC,可以通过PLC指令变频器调节速度(减速控制)制动定位,位置闭环走的是“外环线”,做的位置闭环好不好,取决于编码器信号反馈到PLC,再指令输出到变频器的“时间延迟”(响应);和变频器获得指令后,执行的减速制动定位的执行力到位能力(精度)的差别。第一项如果变频器内置了PG卡有双编码器闭环方案,可以节省这样的时间延迟性。如果编码器信号出来是到PLC,PLC指令再到变频器,那就要设计尽量快的信号传输方案,减少这种时间延迟。第二项变频器的减速制动执行力,这需要熟悉变频器手册的专家来告诉你,哪一种执行力更好。方案取决于如何减少时间延迟(响应)和如何提高变频器减速与制动的执行力(精度)。

双编码器闭环的方案,如果再加上矢量变频控制,安装在变频电机上的速度编码器信号进矢量变频,提高变频器加减速的控制执行力;安装在机械传动末端的位置编码器信号进PLC,可以提高位置控制精度与位置到位响应。

回到本文开头提出的问题,有人说"变频电机做不好定位,要换同步伺服电机去做“,那是因为只用了一个编码器,想当然的与同步伺服电机去比较,而变频电机是异步驱动的,位置环不在电机上,是在”外环“上。

事实上,即使去换了同步伺服电机,双编码器闭环方案同样适用于较大功率的同步伺服电机控制,如果用较大力矩输出的减速机,减速机损失的精度与响应的问题同样存在,在低速负载端加装第二编码器(位置编码器)同样的有必要。

展会上出现的低速端加装第二编码器的伺服控制系统。

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五、多电机同步控制问题,是位置同步而不是速度同步

在上面的讨论中,我们已经知道变频电机是异步电机,速度环与位置环的控制是各自独立的,需要两个不同位置的编码器做反馈。多电机的“同步”问题,需要先搞明白,用户的题目要求:究竟是速度同步?还是位置同步?这是两种不同的控制策略,它们的“同步”效果是不一样的。而实际上大部分的多电机同步问题是位置同步要求,也就是电机角位移同步。当计算时分割的每个时间段以及累加的时间段,多个电机的角位移始终控制在一个偏差范围内,这就是位置同步。这也就是说,变频电机做同步应该选装第二编码器,也就是位置编码器作同步反馈信号。例如,输送带同步,升降机左右同步,变频电机与伺服电机的动作同步。

有关多电机的同步控制,以后会有文章再与大家一起专门讨论。

六、速度编码器与位置编码器的选型注意事项

变频电机的特别性,选型编码器须注意事项:

1,电机功率大,启动瞬间三相电压不平衡较为普遍,瞬间产生偏向磁场的交流感应电流冲击造成编码器的信号干扰与损坏。

2,电机大,驱动力强,启动轴向窜动较大,编码器轴机械冲量损伤。

3,在PLC+变频器+编码器的控制方案中,编码器信号进PLC的传输距离较长。

速度编码器就是增量脉冲编码器,一般以1024PPR的分辨率就足够了。

速度编码器应选用带有反相信号的增量编码器。由于电机启动瞬间的三相不平衡,会在空间产生离心的感应磁场,并对编码器有偏向的双向交流电流耦合干扰与冲击。单极性的直流集电极开路输出模式,其在反向电流截止时能量堆积,难以经受住长期的双向交流感应电流的冲击,较容易损坏。而且信号很容易被干扰,因此变频电机编码器不建议选用集电极开路输出信号的编码器(不建议使用NPN或者PNP型)。

变频电机编码器建议选择双极性的输出模式编码器(A+A-B+B-Z+Z-),对应于双向感应电流都有对0V的输出通道将感应冲击能量转走。没有冲击能量堆积而不太容易损坏编码器电路。同时,编码器的工作电压范围应该较宽,电源应带有反极性保护,信号线带有短路保护,以对应变频电机启动时双向的交流耦合冲击。

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增量脉冲信号编码器,输出信号为5--24V的双向的A+A-B+B-,

另外,带有反相信号的双极性信号在双绞线上对于外部感应是共模的,可以在接收端用差分平衡方式消除,信号抗干扰强,也易于较远距离的信号传输。编码器信号传输距离参数应该选至少大于50米,这并不是实际现场也许只有几米就不需要看此参数,而是变频电机用的编码器,信号传输时的抗干扰能力要求比伺服电机高,可查看选用的编码器参数。

有关编码器信号传输电缆的选择,请看我前面的另一篇文章。

有关编码器信号电缆与传输抗干扰的十个问题讨论

位置编码器应选用绝对值多圈编码器。变频电机往往功率较大,现场干扰环境复杂,增量脉冲信号依赖于计数器,很容易计数时被干扰到而误差累加,包括用电池的或者用韦根脉冲计数器的伪绝对多圈计数器型,也很容易圈数计数时被干扰到而出现跳圈位置错误。前面介绍的在风力发电变桨叶双编码器闭环控制上,已有大量的进口品牌电子计圈式伪多圈绝对式编码器,因故障太多而被换了下来。因此,变频电机(异步伺服控制)应该选用机械齿轮箱式绝对值多圈编码器。如果编码器信号直接进变频器,一般以SSI信号进变频器(该变频器要有双编码器闭环方案)。例如,典型的如风力发电的变桨叶控制。如果是进PLC,或者以总线信号、以太网信号进PLC,例如Canopen、profibus-DP、profinet。

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总线型以太网EtherCat信号由于有同步时间戳特征,可以进PLC也可以进电机驱动器,在做多电机同步控制的效果最佳,尤其是不同类型的电机同步控制,例如变频电机与伺服电机的同步动作,可提高多电机同步联动的效率。


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