为应用选择正确的角度编码器

为什么市场上有如此多的不同角度编码器?为什么使用不同的扫描和测量方式?设计工程师应选择哪一种解决方案?海德汉的演示装置通过选用四种不同角度编码器,明确地回答这些问题。

 

演示装置十分简单:四个不同的角度编码器安装在ETEL的TMB+力矩电机上:

a.  海德汉RCN 8311绝对式角度编码器是一款典型的封闭式角度编码器,用于精密机床的回转工作台和摆动铣头

b.  海德汉ECA 4410绝对式角度编码器是一款典型的钢鼓模块型角度编码器,用于精密机床的大直径轴回转工作台和摆动铣头。

c.  海德汉ECM 2410绝对式磁栅编码器是一款耐污性能优异的模块型角度编码器

d.  AMO的WMxA 1010编码器是一款典型的钢带版绝对式感应编码器,用于对紧凑型、抗污性能要求高并需要灵活安装的应用。

 

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演示装置的剖面图显示不同角度编码器的位置。

 

演示装置采用海德汉TNC 640数控系统,仿真各角度编码器的定位运动,分析信号质量对动态性能的影响和测量原理对精度的影响。演示装置还能显示智能地使用整个系统数据提高工艺可靠性的潜力,整个系统包括电机、角度编码器和传感器连接盒。

 

信号质量:决定表面质量的重要因素

 

在直驱电机中,编码器的信号质量直接关系到电流噪音的大小,因此显著影响动态性能潜力和增加电机的功率损失。噪音是细分误差的负效应,影响运动轴的动态性能潜力。细分误差导致位置值快速变化和速度计算误差。反过来又进一步加大电流噪音。为避免驱动系统不稳定,只能减小控制环增益,降低动态性能,才能抵消噪音的加大。

 

噪音还影响电机的温度特性。噪音低可降低功率损失,进而降低电机温度,相反,噪音大,增加电机功率消耗,因此显著增加电机温度。

 

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电机的温度特性:左图为温度分布图,由该图可见位置控制环采用光学扫描角度编码器时的电机温度较低。非光学扫描的角度编码器导致温度较高,如右图所示。

 

在比较不同编码器中,明显可见温度特性的不同。光学编码器噪音小且保持稳定,而磁栅和感应式编码器的噪音较大,非均匀噪音较大,使用低通滤波器后噪音也依然较大。因此,光学编码器是电机达到高性能和达到高表面质量的理想选择。

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演示装置中不同角度编码器的噪音比较。

 

实际位置与理论位置

 

根据ISO 230-2标准,测量回转工作台的定位精度,以此评估回转工作台实际位置与理论位置间的相符程度。为此,将回转工作台进行五次顺时针和五次逆时针回转,每圈测量十二个点,相邻测量点间相距30°。

 

评估编码器的主要指标是参数A,即定位运动的双向精度,参数M,也即平均双向定位偏差的范围。参数A相当于角度编码器的系统精度和参数M相当于分度精度,这两个参数都考虑应用误差。

 

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双向定位精度和平均双向定位偏差范围:RCN和ECA光学角度编码器的实际位置与理想位置之间的偏差明显小于磁栅(ECM)和感应式(WMxA)角度编码器的偏差。

 

要在指定的最高运动速度下评估可达到的轮廓精度,海德汉的精度指标不仅包括ISO 230-2标准要求,还包括动态定位精度(由字母D表示)。根据ISO 230-2标准,回转工作台顺时针旋转五圈,逆时针旋转五圈,再次进行测量。但是这次,用5 kHz的连续扫描频率和20 rpm的旋转速度进行测量。

 

用可达到的轮廓精度测量动态位置精度,从中可见WMxA感应式角度编码器的偏差较大。这种偏差的原因在于感应扫描方式导致精度随转速而变化。相反,RCN和ECA光学编码器与其完全不同,在理论位置与实际位置之间几乎没有偏差。ECM磁栅编码器没有严重偏差,性能居中。

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动态定位精度是可达到的轮廓精度参数之一,感应式角度编码器的偏差较大。

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偏差较大的原因在于感应扫描方式本身,其精度与转速相关,顺时针与逆时针测量之间存在严重跳跃。

 

智能电机保护,提高加工过程可靠性

 

力矩电机,例如演示装置中使用的ETEL电机,不仅结构紧凑而且性能卓越。但是,在部分加工条件下,如果绕组中的电流不对称分布,温度可能过高,导致一组绕组的温度突然升高。将位于应用附近的温度传感器的温度数据数字化,并将温度数据提供给数控系统,智能地保护电机,提高过程可靠性。特别是温度信息可用性的改善有效提高加工过程可靠性和工作效率。

 

海德汉EIB 5200传感器连接盒监测电机的全部三组绕组,提供温度数据并使其立即使用。连接盒位于电机附近,处在角度编码器与机床数控系统之间。如果已经确定和保存了电机的温度模型,例如ETEL力矩电机,这款传感器连接盒可以快速发现温度的突然上升,因此能避免电机绕组损坏和保护电机,避免过热。

 

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在加工过程中,海德汉EIB 5200传感器连接盒智能地保护电机。电缆连接简洁和电机系统的附加数据立即可用。

 

选择正确的编码器和智能地使用在加工过程中可用的不同数据关系到加工过程的可靠性、稳定性和精度。确定不同型号编码器所特有的工作特性能帮助设计工程师和开发人员选择正确的角度编码器,满足应用要求。最后,选择正确编码器不仅关系到动态性能和精度,设计工程师和开发人员也必须考虑相关因素,例如转轴直径和安装方式,当然也必须考虑经济性。

 

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