做自動(dòng)化的朋友都知道，設(shè)備性能好不好，關(guān)鍵是伺服系統(tǒng)的精度與響應(yīng)速度給不給力。而伺服位置反饋設(shè)備，作為這一系統(tǒng)的“眼睛”，其重要性不言而喻，它能不能準(zhǔn)確告訴你電機(jī)轉(zhuǎn)到哪兒了，直接決定了你的設(shè)備是絲滑運(yùn)行還是頻繁翻車。更現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，它還關(guān)系到生產(chǎn)線的效率和安全，這可都是真金白銀啊。市面上那么多位置反饋設(shè)備看得人眼花，到底哪款才是你的菜？別慌，今天就來(lái)聊聊怎么挑到最適合自己應(yīng)用場(chǎng)景的那一款。

位置反饋設(shè)備揭秘

位置反饋設(shè)備，作為測(cè)量電機(jī)機(jī)械輸出位置的關(guān)鍵組件，其重要性不言而喻。在標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，它精確測(cè)量軸/轉(zhuǎn)子相對(duì)于電機(jī)外殼/定子的位置；在直線電機(jī)中，則監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)線圈與靜止磁體結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置。運(yùn)動(dòng)速度甚至加速度都可通過(guò)隨時(shí)間對(duì)位置的測(cè)量來(lái)計(jì)算。

常見(jiàn)的傳感類型

光學(xué)傳感，例如科爾摩根的多圈絕對(duì)式智能反饋設(shè)備SFD-M

電感式傳感，例如旋轉(zhuǎn)變壓器或某品牌的EQI系列設(shè)備

電容式傳感，例如某品牌的EEM37系列設(shè)備

每種傳感類型在成本、尺寸、性能、堅(jiān)固性和工作溫度方面都各有特點(diǎn)。如下圖是安裝有SFD-M反饋設(shè)備的科爾摩根AKM2G伺服電機(jī)的分解圖。

位置反饋怎么用?

并非所有電機(jī)都需要位置反饋設(shè)備。但在需要精確運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用中，無(wú)反饋的開(kāi)環(huán)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致定位不準(zhǔn)、速度控制差等一系列問(wèn)題。因此，閉環(huán)系統(tǒng)中的位置反饋設(shè)備是實(shí)現(xiàn)高精度控制的關(guān)鍵。

伺服控制環(huán)路

伺服電機(jī)位置數(shù)據(jù)供電子控制器在伺服控制環(huán)路使用，目標(biāo)是讓反饋傳感器輸出值接近指令值，位置反饋設(shè)備質(zhì)量影響伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度，反饋傳感器測(cè)量誤差會(huì)使電機(jī)實(shí)際位置產(chǎn)生誤差，如周期性誤差會(huì)導(dǎo)致電機(jī)反向波動(dòng)。位置反饋設(shè)備越好運(yùn)動(dòng)效果越好，但電機(jī)內(nèi)部設(shè)備性能有限，多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置，連接機(jī)械系統(tǒng)需高成本精心設(shè)計(jì)，用高精度定位反饋設(shè)備也難顯著改善其末端運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制質(zhì)量才是關(guān)鍵。

電機(jī)的電子換向

許多電機(jī)需交流波形適當(dāng)同步以實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)，最初有刷電機(jī)靠機(jī)械換向器實(shí)現(xiàn)同步，而無(wú)刷永磁伺服電機(jī)則由位置反饋設(shè)備為驅(qū)動(dòng)器提供信息，以電子方式同步激勵(lì)電機(jī)繞組，電子換向能減小電機(jī)體積、降低成本，滿足指定機(jī)械功率和扭矩規(guī)格，且某些電機(jī)電子換向需電機(jī)電循環(huán)內(nèi)的絕對(duì)位置信息。

絕對(duì)位置詳解

基本位置反饋設(shè)備提供增量位置，通電時(shí)無(wú)論轉(zhuǎn)子實(shí)際位置如何都報(bào)告為0位，僅測(cè)量通電后移動(dòng)的增量距離，對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)等部分應(yīng)用足夠，但多數(shù)應(yīng)用需知曉操作空間內(nèi)的實(shí)際位置，絕對(duì)位置反饋設(shè)備可提供固定且相對(duì)于0位的絕對(duì)位置，其有多種類型且按絕對(duì)位置范圍區(qū)分。

換向器

通電時(shí)在一個(gè)電機(jī)電循環(huán)內(nèi)提供電子換向所需的絕對(duì)位置信息，位置反饋在一個(gè)循環(huán)內(nèi)只提供增量或絕對(duì)位置，如增量式編碼器+霍爾效應(yīng)傳感器或多速旋轉(zhuǎn)變壓器。

單圈絕對(duì)值

通電時(shí)在0至360度機(jī)械旋轉(zhuǎn)范圍提供精準(zhǔn)絕對(duì)位置值，如單速旋轉(zhuǎn)變壓器及部分光學(xué)、電容或電感式設(shè)備。

多圈絕對(duì)值

能提供機(jī)械旋轉(zhuǎn)一圈內(nèi)絕對(duì)位置并跟蹤完整旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，計(jì)數(shù)能力通常從4069圈（12位）到65536圈（16位）不等。多圈絕對(duì)式反饋可通過(guò)以下四種基本方式實(shí)現(xiàn)：

斷電時(shí)將當(dāng)前位置保存到非易失性存儲(chǔ)器，通電時(shí)恢復(fù)

斷電時(shí)不得移動(dòng)電機(jī)位置。

成本低，應(yīng)用范圍較窄。

用備用電池為轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器供電

在斷電狀態(tài)下可自由移動(dòng)電機(jī)。

電池存在成本和維護(hù)問(wèn)題，而且需要占用空間。

長(zhǎng)時(shí)間斷電有可能造成生命危險(xiǎn)。

使用帶有獨(dú)立讀數(shù)的齒輪

在斷電狀態(tài)下可自由移動(dòng)電機(jī)。

齒輪能使編碼器變大，電機(jī)長(zhǎng)度更長(zhǎng)。

齒輪價(jià)格較高，安裝公差要求嚴(yán)格。

能量收集。在斷電狀態(tài)下，手動(dòng)移動(dòng)電機(jī)可為非易失性存儲(chǔ)器中的匝數(shù)計(jì)數(shù)器供電。例如：科爾摩根SFD-M。

在斷電狀態(tài)下可自由移動(dòng)電機(jī)。

比齒輪更堅(jiān)固耐用，轉(zhuǎn)數(shù)范圍更大。

比齒輪小，成本低，對(duì)公差精度的要求也更低。

幾乎所有應(yīng)用都能受益于多圈絕對(duì)位置反饋，如在將電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為有限范圍線性運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用中，它通電后可立即提升生產(chǎn)率，省去耗時(shí)歸位程序及昂貴歸位傳感器和布線。以往增加多圈絕對(duì)功能成本高，很多應(yīng)用難享其優(yōu)勢(shì)，如今該限制已消除，科爾摩根的SFD-M位置反饋設(shè)備表現(xiàn)突出，無(wú)需額外成本就能提供多圈絕對(duì)功能和能量收集技術(shù)的所有優(yōu)勢(shì)。

反饋設(shè)備關(guān)鍵規(guī)格

●分辨率

可測(cè)量的最小運(yùn)動(dòng)距離，以二進(jìn)制位數(shù)/轉(zhuǎn)數(shù)指定，位數(shù)/轉(zhuǎn)數(shù)越高越好，典型工業(yè)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)至少需16位/圈，24位/圈更佳，超24位/轉(zhuǎn)位置精度效益降低。

●精度

設(shè)備測(cè)量位置與電機(jī)實(shí)際位置差值，指最壞情況誤差，用+/-弧分角表示，通常比分辨率差得多。

●速度波動(dòng)

因測(cè)量位置誤差導(dǎo)致微分法測(cè)量的位置速度估值波動(dòng)，與速度成正比，用%p-p表示，由位置精度誤差引起，但最壞情況位置誤差不直接決定其百分比。

●位置噪聲

電機(jī)靜止時(shí)測(cè)得位置值因模擬傳感固有噪聲和EMI噪聲出現(xiàn)隨機(jī)跳動(dòng)，通常介于分辨率和精度規(guī)格之間，最好有1-2個(gè)最少有效位的隨機(jī)噪聲。

●帶寬

位置傳感器對(duì)輸入變化響應(yīng)速度有限制，帶寬指測(cè)得正弦運(yùn)動(dòng)與實(shí)際相比振幅下降到-3dB時(shí)的頻率(HZ)，需高于所需伺服閉環(huán)運(yùn)動(dòng)帶寬。

●延遲/相位

傳感器從輸入到測(cè)量值有相位滯后或延遲，在指定正弦工作頻率下以電角度表示，在所需伺服閉環(huán)帶寬下相位滯后要小。

●溫度

設(shè)備在冷熱環(huán)境下均能在規(guī)格要求內(nèi)正常工作，電機(jī)元件工作溫度上限常高于反饋設(shè)備，電機(jī)持續(xù)扭矩受其最高工作溫度限制。

●堅(jiān)固性

伺服電機(jī)應(yīng)用涉及機(jī)械振動(dòng)和沖擊，每種位置反饋設(shè)備有可承受范圍，有些更堅(jiān)固耐用。

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反饋設(shè)備的實(shí)用功能

除了測(cè)量電機(jī)位置這個(gè)主要功能之外，現(xiàn)代反饋設(shè)備還可能具有一些增強(qiáng)功能性和價(jià)值的功能，其中包括：

電機(jī)ID

含驅(qū)動(dòng)器數(shù)字通信鏈路的位置反饋設(shè)備有非易失性存儲(chǔ)器，用電機(jī)數(shù)據(jù)表值編程后，驅(qū)動(dòng)器通電時(shí)能知曉連接電機(jī)并自動(dòng)兼容設(shè)置，所有帶存儲(chǔ)器的科爾摩根設(shè)備都設(shè)有電機(jī)ID信息供驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)設(shè)置。

熱敏傳感器

部分?jǐn)?shù)字位置反饋設(shè)備輸入端可連電機(jī)繞組熱敏傳感器，經(jīng)數(shù)字通信鏈路將測(cè)量值反饋給驅(qū)動(dòng)器，無(wú)需從電機(jī)到驅(qū)動(dòng)器連接熱敏傳感器。

單電纜

與驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)字通信的位置反饋設(shè)備導(dǎo)線少，如科爾摩根SFD-M等設(shè)備只需2根或4根導(dǎo)線，相比多導(dǎo)線傳感器或直接模擬傳感器成本和安裝勞動(dòng)力更低。

功能安全

現(xiàn)代機(jī)器為保障操作員安全，伺服系統(tǒng)可安裝經(jīng)第三方認(rèn)證的功能安全性位置反饋裝置，讓有效伺服系統(tǒng)在操作員安全操作時(shí)保持固定位置，提升生產(chǎn)效率與工作環(huán)境安全性。

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反饋設(shè)備選型指南

綜合我們討論過(guò)的所有性能指標(biāo)、功能與特性，并結(jié)合相關(guān)定價(jià)，可建立全面比較圖表，用以表明各類現(xiàn)有位置反饋設(shè)備能達(dá)到好、較好或非常好的標(biāo)準(zhǔn)，具體見(jiàn)下表。

反饋設(shè)備對(duì)比分析

一般運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用

根據(jù)對(duì)比圖可以看出，SFD-M顯然是大多數(shù)應(yīng)用的合適選擇。其優(yōu)勢(shì)包括：

性價(jià)比高

具有16位多圈絕對(duì)分辨

性能強(qiáng)勁

特殊應(yīng)用建議

然而，在有些特殊應(yīng)用中，SFD-M并不是一個(gè)好選擇。這些特殊情況和相關(guān)反饋設(shè)備及其訂購(gòu)代碼如下。

需要功能安全認(rèn)證：

GU BiSS電容安全

LD EnDat電感安全

相比SFD-M成本更高且電機(jī)更長(zhǎng)

直接驅(qū)動(dòng)需要極高位置精度：

DA，DB EnDat光學(xué)

AA，AB BiSS光學(xué)

相比SFD-M成本更高且電機(jī)更長(zhǎng)

未使用科爾摩根電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：

選擇與驅(qū)動(dòng)器兼容的反饋設(shè)備

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