Im Bereich der industriellen Automatisierung und Präzisionssteuerung bestimmt die Leistung des Servomotors als zentrales Antriebselement direkt die Präzision und dynamische Reaktionsfähigkeit des Systems. undInkrementale EncoderAls "Wahrnehmungsorgan" des Servosystems wird es durch Echtzeit-Feedback von Positions- und Geschwindigkeitsinformationen zum Schlüsseltechnologie zur Realisierung der geschlossenen Kreislaufsteuerung.
Arbeitsprinzip und Vorteile des Inkrementalencoders
Der Inkremental-Encoder verwandelt den mechanischen Drehwinkel in ein elektrisches Impulssignal, indem er periodische Veränderungen der Rasterplatte oder des magnetischen Streifens erkennt. Der Kernausgang umfasst drei Signalsätze:
A/B-Phasenpuls: Ein orthogonaler Impuls mit einem zweiwegigen Phasenunterschied von 90° zur Berechnung der Bitverschiebung und der Drehrichtung (Unterscheidung im Uhrzeigersinn / gegen den Uhrzeigersinn durch Beurteilung der Aufstieg / Abfall entlang der Reihenfolge);
Z-Phase Null-Bit-Signal: Jede Drehung liefert einen Impuls als absoluten Referenzpunkt des mechanischen Ursprungspunkts und löst das Problem des Positionsverlusts nach Stromausfall des Inkrementalen Encoders.
Im Vergleich zu absoluten Encodern haben Inkremental-Encoder drei wesentliche Vorteile:
Kosteneffektiv: Einfache Struktur, keine komplexe Codierplatte, der Preis ist nur 1/3 ~ 1/2 des gleichen Genauigkeits-absoluten Coders;
Starke Störungsbekämpfung: Magnetischer Inkremental-Encoder kann in starken elektromagnetischen Störungen, Ölverschmutzung, Staub und anderen harten Umgebungen stabil arbeiten;
Dynamische Reaktion: Niedrige Verzögerung bei der Übertragung von Impulssignalen, geeignet für Szenarien der hohen Geschwindigkeitsbewegungssteuerung.
Positionssteuerung: Von der Zählung der Impulse bis zur Genauigkeit im Nanoskala
Der Inkremental-Encoder ermöglicht eine geschlossene Positionssteuerung durch die Zählung von Impulsen mit folgenden Kernprozessen:
Impulserfassung: Der Encoder liefert eine Auflösungseinheit pro Drehung (z. B. 1024 Linienencoder liefert 1024 Impulse pro Drehung), und der Controller erfasst die Anzahl der Impulse über den High-Speed-Zählanschluss;
Positionskonvertierung: Umrechnet die Anzahl der Impulse in den tatsächlichen Winkel oder eine lineare Verschiebung gemäß der Formel Position = Impulszahl / Auflösung (in Kombination mit dem Zahnradsverhältnis oder der Schraubenleitung);
Fehlerkompensation: Regelmäßige Kalibrierung der kumulativen Fehler durch das Z-Phasennull-Signal, in Kombination mit dem Forwarding-Control-Algorithmus, um mechanische Lücken, elastische Verformungen und andere nicht-lineare Faktoren zu beseitigen.
Typische Anwendungsfälle:
CNC-Werkzeugmaschinenzufuhrsystem: 17-Bit-Inkremental-Encoder (Auflösung bis zu 131072 Impulse / Umdrehung), mit dem Raster-Maßstab, um eine Mikron-Positionsgenauigkeit zu erreichen, um die Präzisionsbearbeitungsanforderungen zu erfüllen;
Robotergelenksteuerung: Durch die 4x-Frequenztechnologie (A / B-Phasenpulse steigen / fallen) erhöhen Sie die Encoder-Auflösung auf 4096 Impulse / Drehung, um die Sub-Radian-Steuerung des Gelenkwinkels zu erreichen;
Halbleitergeräte: Bei Wafer-Übertragungsrobotern wird ein Inkremental-Encoder mit einem Linearmotor kombiniert, um eine wiederholte Positionierungsgenauigkeit von ±0,1 μm durch die Zählung der Impulse zu erreichen.
Drehzahlmessung: Technische Entwicklung von der Frequenzmethode zur MT-Methode
Der Inkremental-Encoder ermöglicht die Drehzahlmessung durch die Zeitreihenkennzeichnung des Pulssignals, unter anderem durch:
Frequenzmethode (M-Methode)
Prinzip: Berechnen Sie die Anzahl der Impulse in einem festgelegten Zeitfenster und berechnen Sie die Drehzahl mit der Formel Drehzahl = Impulszahl / (Auflösung x Zeitfenster).
Eigenschaften:
Hohe Messgenauigkeit mit hoher Geschwindigkeit (z. B. bei 1000 Umdrehungen pro Minute erfasst der 1024-Zeilenencoder 17 Impulse pro 10 ms mit einem Fehler von nur 0,6%);
Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist der Fehler erheblich (z. B. bei 10 Umdrehungen pro Minute, nur 0,17 Impulse innerhalb von 10 ms, verlängerte Zählzyklen oder Multifrequenztechnologie erforderlich).
Optimierungsprogramm:
Hardware-Multifrequenz: 4-fache und 16-fache Frequenz durch FPGA oder dedizierten Chip, um die Auflösung mit niedriger Geschwindigkeit zu verbessern;
Softwarefilterung: Unterdrückung von Pulsschwitterungen durch Gleitmittelalgorithmus.
Periodische Methode (T-Methode)
Prinzip: Messung des Zeitintervalls benachbarter Impulse und Berechnung der Drehzahl nach der Formel Drehzahl = 1/ (Auflösung x Zeitintervall).
Eigenschaften:
hohe Messgenauigkeit mit niedriger Geschwindigkeit (z. B. bei 1 Umdrehung pro Minute, 1024-Leiter-Encoder-Impulsintervall bis zu 60 ms, Messfehler kann innerhalb von 0,1% gesteuert werden);
Bei hoher Geschwindigkeit erhöht sich der Fehler (z. B. bei 1000 Umdrehungen pro Minute ist der Impulsintervall nur 0,6 ms und ist von der Uhrengenauigkeit begrenzt).
Optimierungsprogramm:
Hochfrequenz-Uhr-Interpolation: Unterteilung des Impulsintervalls mit einer Uhr über 100 MHz, um die hohe Geschwindigkeitsmessgenauigkeit zu verbessern;
Multipulssynchrone Messung: Erfassen mehrerer Impulszyklen gleichzeitig und reduzieren zufällige Fehler durch Durchschnittswerte.
Mischmethode (MT-Methode)
Prinzip: Kombinieren Sie die Frequenzmethode mit der Zyklusmethode, um die Anzahl der Impulse (M-Methode) in einer festgelegten Zeit zu zählen und gleichzeitig die Anzahl der Hochfrequenz-Taktimpulse (T-Methode) zu messen, um die Drehzahl durch die Formel Drehzahl = Hochfrequenz-Taktfrequenz x Impulsanzahl / (Auflösung x Hochfrequenz-Taktzählung) zu berechnen.
Eigenschaften:
Genauigkeitsgleichgewicht im vollen Geschwindigkeitsbereich (z. B. Fehler im Bereich von 1 bis 10.000 U/min kleiner als 0,01%);
Der Algorithmus ist hochkomplex und erfordert spezielle Hardware-Unterstützung.
Typische Anwendungsszenarien:
Aufzugstraktor: Mit der MT-Methode, um die Motordrehzahl zu messen, um eine Genauigkeit der Geschwindigkeitssteuerung von 0,01 m / s zu erreichen, um den Treppenkomfort zu gewährleisten;
Hauptantrieb für neue Energiefahrzeuge: Redundanz des Inkremental-Encoders und des Rotationstransformators in Kombination mit der MT-Methode für eine geringe Drehzahlsteuerung von 0,1 U/min;
Windkraftanlagenwechselsystem: Im Breitgeschwindigkeitsbereich von 0,1 bis 15 Umdrehungen pro Minute gewährleistet die MT-Methode eine Genauigkeit von ± 0,1° bei der Regelung des Paddelwinkels.
Technische Herausforderungen und Trends
Trotz der Kosten- und Zuverlässigkeitsvorteile von Inkremental-Encodern beschränken Mängel wie die Abhängigkeit von externen Zählern und die Notwendigkeit, nach Stromausfallen wieder nach Null zu suchen, die Ausweitung der Anwendung. Die aktuelle technologische Entwicklung zeigt zwei Trends:
Intelligente Integration: Integration des Encoders und des Antriebes, die Hardware für die Zählung von Impulsen, die Geschwindigkeitsberechnung und die Fehlerkompensation durch den eingebauten DSP-Chip ermöglicht, um die Belastung des Controllers zu reduzieren;
Multi-Sensor-Fusion: Kombinieren Sie Inkremental-Encoder mit Absolut-Encoder und Stromsensoren, um ein multimodales Feedback-System aufzubauen, um die Fehlertoleranz des Systems zu verbessern (z. B. Umschalten auf die Stromringsteuerung bei einem Encoder-Ausfall).
Inkrementale EncoderMit seinem hohen Preis-Leistungs- und Zuverlässigkeitsverhältnis ist er in der Positionssteuerung und Drehzahlmessung von Servomotoren führend. Mit den steigenden Anforderungen an Präzision und Intelligenz von Geräten durch Industrie 4.0 überschreiten Inkremental-Encoder durch technologische Innovationen die Leistungsgrenzen und bieten präzisere Bewegungssteuerungslösungen für die intelligente Fertigung.