變頻電機為什麼要用編碼器？又該如何選型？（上）

能源家電數碼電老虎供應鏈 2018-12-08

在自動化控制中經常會碰到各種電機的控制，在輸送帶、升降機、提升小車等較大功率的電機大部分是用變頻電機，各個品牌PLC+變頻器驅動控制變頻電機也很普及了。

但是，用戶經常會有這樣那樣的問題出現：

變頻電機為什麼要裝編碼器?不裝編碼器也行嗎?

變頻電機裝了編碼器，就是可以作為異步伺服控制了？就可以做定位控制了嗎?

有些變頻電機控制不僅裝了一個編碼器，還有雙編碼器閉環，是怎麼回事？

有人說，“變頻電機做不好定位的，也做不好同步，要做同步控制就要換同步伺服電機?”

變頻電機的編碼器信號經常被幹擾，也很容易壞，該怎麼選編碼器呢？

本文先與大家討論一下變頻電機為什麼要裝編碼器這個問題。

一：

基本概念：變頻電機驅動沒有位置環。變頻電機上的編碼器是“速度編碼器”，是為精確計算電機反電動勢的速度反饋。電機反電動勢與電機轉子轉速成正比。

由於伺服電機的普及使用，現在很多控制的思路都會向伺服電機比較與衡量，儘管變頻控制早於伺服控制。伺服電機的控制是位置環、速度環、力矩環的閉環控制，這在永磁同步電機的設計原理上就有體現，驅動電流的相位與轉子的位置同步，伺服電機的驅動已確定了位置環是“天然”閉環的。而在變頻電機驅動是異步的，有時也稱為異步電機，即使加上電機後部編碼器的反饋，它也只有速度環，沒有在電機驅動上的“位置環”，因此這個編碼器就是“速度編碼器”。

變頻電機編碼器作為速度編碼器，它主要的目的是作為電機轉子反電動勢的計算，以達到對應當前電機反電動勢的精準驅動控制。

當驅動電流啟動電機轉子旋轉，根據電磁定律，當磁場變化時，附近的導體會產生感應電動勢，其方向符合法拉第定律和楞次定律，與原先加在線圈兩端的電壓正好相反。這個電壓就是反電動勢。

以能量守恆法則：電機驅動器送出的電能=機械能（驅動電流與反電動勢平衡）+損耗（電機電流阻抗熱損、機械阻力、配阻箱熱損等）。

電機在啟動加速時，必須達到驅動電流產生的旋轉勢能大於反電動勢能（矢量為正），但也不能過大，過大的電流是損耗在電機熱能和配阻箱熱能上的。速度編碼器的反饋提供給變頻器計算反電動勢，以使驅動旋轉勢能正好大於反電動勢能。

每臺電機有各自的特性常數，反電動勢與電機轉子轉速和這個特性常數成正比關係。反電動勢=特性常數 X 轉子轉速

安裝有編碼器的變頻電機，編碼器信號反饋給變頻驅動器，計算出當前的電機反電動勢，變頻驅動器給出合理的控制電流。

當編碼器反饋給變頻器的信號計算出電機轉速偏低，遠低於設計的對應驅動電流下電機應該達到的旋轉速度，此時稱為電機驅動“失速”，變頻電機失速意味著反電動勢偏低，電能都用到了熱損上去了（反電動勢偏低，電壓分配給阻抗上），此時電機線圈電阻抗低，電流增大而電機發燙，或者變頻器電流偏大，有可能就會燒損電機或者變頻器，這時需要失速保護，而停止電機驅動。

對應這種可能出現的變頻電機失速，早期常用的方法就是把電機功率和變頻器功率設計的更大，要有足夠的大，有足夠的餘量對應大電流熱損，防止燒壞電機或者變頻器器件，並且需要配備一個很大的配電阻箱，過電壓分配將瞬間啟動時的過餘能量在配電阻箱平衡。這就造成電機設計的體積大，變頻器效率低的浪費。而且在電機驅動加速時浪費了很多能量在熱損上。

變頻電機增加安裝編碼器，就可以提高電機與變頻器在啟動時的能量效率，減少電機與變頻器損壞的可能。

一個比喻，開車的老司機都知道，車輛從低速啟動時是最耗油的，如果是上坡加速更加耗油。電機驅動也是一樣的道理，電機的能量損耗大部分是在啟動加速時。變頻電機如果想要真正達到節能的效果，最好就要加編碼器反饋，在啟動時精細化控制電流，減少啟動熱損的能量浪費，同時也保護電機與變頻器不易損壞。

因此，如果變頻電機編碼器選型與安裝得當，由於電機與變頻器效率的提高，損害故障的減少，並且能真正體現變頻電機的節能效果，多安裝一個編碼器所獲得的效益是遠遠大於一個編碼器的價格。

二：

矢量控制模式，編碼器反饋可提高加速度-力矩控制的執行力

矢量是指有方向性的控制。電機驅動的勢能保持對反電動勢的勢能為正時，是加速。電機驅動的勢能保持對反電動勢的勢能為負時，是減速。

矢量控制是對電機的加減速執行力效果的精細化控制，尤其是在電機啟動低速加速，和電機減速定位停止時（低速段）的執行力精準性。以牛頓第二定律來言：F=kma （F=力；m=質量；k=慣性常數；a=加速度）

加（減）速度對應電機力矩，矢量控制對應電機力矩控制的執行力。如果要達到矢量控制的精準性，需要轉子加速度的精確反饋，最好由編碼器作為加速度計算的反饋傳感器。

也有電機用霍爾傳感器作為速度加速度反饋；也有無傳感器的方案，是利用電機自身線圈採樣反電動勢採集計算。但是，霍爾傳感器和無傳感器方案中，在低速時的反饋採集精度都很差，這就是說在電機啟動低速時，和電機減速停止時的矢量控制沒有了精度，是粗糙的控制。

安裝有速度編碼器的傳感反饋，一般為1024PPR的脈衝反饋，精度高於霍爾傳感器，或者無傳感器的電機線圈自身反電動勢的精度，尤其是在低速啟動時的高效節能，和在減速停止時的定位執行精準度。

回到本文開頭的問題，變頻電機不裝編碼器也行嗎？

當然可以。不過它就沒有了低速時的速度與加速度的反饋精度，低速時驅動器控制精度也就沒有了。而電機能耗在電機啟動加速（低速）時最大，電機與變頻器的故障損壞在電機啟動加速( 低速時) 佔50%以上。

三：

異步伺服控制模式需雙編碼器閉環——異步電機加減速的響應執行力延遲與減速機精度問題。

前面討論了，異步電機不同於同步電機，在異步電機驅動環節沒有位置閉環，是依賴速度對時間的積分得到位置。我們知道，伺服控制是指位置環、速度環、力矩環的三環閉環控制。位置環與速度環本應該是各自獨立的，儘管有位置變化/時間= 速度，而速度x時間=位置的計算，但是這樣的計算在同步電機可行，在異步電機不可行——誤差與執行響應延遲上的不同。因為是異步控制，速度反饋到執行響應的誤差假設控制在千分之一以內、每秒，對於異步控制這已經是不錯的精度了，那麼一千秒鐘的位置積分誤差累加最大就可能達到了每秒誤差的一千倍！（17分鐘）。為此，在有的異步電機控制器裡，用電機上安裝的編碼器直接做位置閉環計算，而不用速度環的積分得到電機位置，但這又遇到了另一個問題——實際要求的工藝端在機械傳動末端，機械傳動與減速機的誤差與延遲影響位置控制執行力問題。

精密減速機問題：

減速機的作用是一個槓桿原理，在減速機(支點）的輸入端，用較小的力（用較小功率的電機）走較多的路（減速前電機轉速高，走的圈數多），通過減速機的減速比，使得槓桿支點的另一端減速機輸出端旋轉走較少的路（減速後輸出轉速低，走的圈數少）卻獲得放大的輸出力，這是槓桿原理。但是使用減速機不僅僅是槓桿減速比這麼簡單，它同時也帶來了機械精度損失、機械磨損、機械摩擦等阻力效能損失、傳動齒輪的精度使用壽命減少等問題，以及減速機輸入輸出時間響應的損失。

目前的同步伺服電機的大量普及，還大都在較小功率電機的使用，小型伺服電機的減速機設計的主要精力是在精密性上，而在減速機另外一些重要參數，如力矩效能、材料特性、機械磨損上要求並不突出。而異步電機常常用在較大功率輸出要求上，減速機廠家把關注力放在了材料特性、機械磨損、輸出力矩效能上，而在末端機械位置精度要同時達到像小型伺服電機減速機那樣的精度已經很難了。除非是在機器人手臂上使用，機器人手臂減速機必須同時又有精度保證，又要有力矩與機械材料耐磨損特性。目前機器人減速機基本由日本兩家減速機公司壟斷，也是因為這種輸出大力矩耐磨損，又要同時有高精度保證的減速機的難度。其他大部分的異步伺服電機不可能配備這種昂貴又被別人壟斷的精密減速機，他們只能放棄在減速機末端的機械位置精度。

如果還要求達到異步伺服“位置環”的控制精度要求，解決的方案就是在機械末端再加裝一個“位置編碼器”，這個機械傳動末端的編碼器也稱為“第二編碼器”“負載端工藝軸編碼器”。例如可以裝在減速機的輸出端，如下圖。