En el campo de la automatización industrial y el control de precisión, el rendimiento del servomotor como componente Ejecutivo Central determina directamente la precisión y la capacidad de respuesta dinámica del sistema. YCodificador incrementalComo "órgano perceptivo" del sistema servo, a través de la retroalimentación en tiempo real de la información de posición y velocidad del rotor, se ha convertido en un soporte técnico clave para lograr el control de circuito cerrado.

I. principios de funcionamiento y ventajas centrales del codificador incremental

El codificador incremental convierte el ángulo de rotación mecánica en una señal de pulso eléctrico detectando cambios periódicos en el disco de rejilla o las rayas magnéticas. Su salida Central contiene tres grupos de señales:

Pulso de fase A / b: pulso ortogonal con una diferencia de fase de 90 ° entre los dos canales, utilizado para calcular el desplazamiento y la dirección de rotación (distinguir el sentido de las agujas del reloj / el sentido contrario a las agujas del reloj juzgando el orden de los bordes ascendentes / descendentes);

Señal de posición cero de la fase z: cada vuelta giratoria emite un pulso como punto de referencia absoluto del origen mecánico para resolver el problema de la pérdida de posición después de que el codificador incremental se corta.

En comparación con los codificadores absolutos, los codificadores incrementales tienen tres ventajas obvias:

Alta rentabilidad: estructura simple, sin necesidad de discos de codificación complejos, el precio es solo 1 / 3 a 1 / 2 del codificador absoluto de la misma precisión;

Fuerte capacidad antiinterferencia: el codificador incremental magnético puede funcionar de manera estable en entornos hostiles como interferencias electromagnéticas fuertes, aceite y polvo;

Respuesta dinámica rápida: bajo retraso en la transmisión de la señal de pulso, adecuado para escenarios de control de movimiento de alta velocidad.

II. control de posición: del conteo de impulsos a la precisión a nivel nanométrico

El codificador incremental realiza el control de circuito cerrado de la posición a través del conteo de impulsos, y su proceso central es el siguiente:

Adquisición de pulsos: cada unidad de resolución giratoria del codificador (por ejemplo, el codificador de 1024 líneas produce 1024 pulsos por vuelta), y el controlador registra el número de pulsos a través del puerto de conteo de alta velocidad;

Conversión de posición: convertir el número de pulsos en ángulo real o desplazamiento lineal de acuerdo con la posición de la fórmula = número de pulsos / resolución (es necesario combinar la relación de engranajes o la Guía de tornillo);

Compensación de errores: el error acumulado se calibra regularmente a través de la señal de posición cero de la fase z, combinada con el algoritmo de control de avance para eliminar factores no lineales como la brecha mecánica y la deformación elástica.

Casos de aplicación típicos:

Sistema de alimentación de la máquina cnc: se utiliza un codificador incremental de 17 dígitos (resolución de 131072 impulsos / revolución), que coopera con la regla de rejilla para lograr una precisión de posicionamiento a nivel de micras para satisfacer las necesidades de mecanizado de precisión;

Control conjunto del robot: a través de la tecnología de duplicación de frecuencia 4 (se incluyen los bordes ascendentes / descendentes del pulso de fase A / b), la resolución del codificador se eleva a 4.096 impulsos / revolución para lograr el control del nivel de subarco del ángulo conjunto;

Equipos semiconductores: en el robot de transmisión de obleas, el codificador incremental coopera con el Motor lineal para lograr una precisión de posicionamiento repetida de ± 0,1 micras a través del conteo de pulsos.

III. medición de la velocidad de rotación: evolución tecnológica del método de frecuencia al método MT

El codificador incremental realiza la medición de la velocidad a través de las características de tiempo de la señal de pulso. los métodos principales incluyen:

1. método de frecuencia (método m)

Principio: contar el número de pulsos en una ventana de tiempo fija y calcular la velocidad de rotación a través de la fórmula velocidad de rotación = número de pulsos / (resolución x ventana de tiempo).

Características:

Alta precisión de medición de alta velocidad (por ejemplo, a 1000 rpm, el codificador de línea 1024 puede capturar 17 pulsos por 10 ms, con un error de solo 0,6%);

El error a baja velocidad es significativo (por ejemplo, a 10 rpm, solo 0,17 pulsos en 10 ms, es necesario prolongar el período de conteo o adoptar la tecnología de duplicación de frecuencia).

Esquema de optimización:

Duplicación de frecuencia de hardware: 4 duplicación de frecuencia y 16 duplicación de frecuencia a través de FPGAs o chips especiales para mejorar la resolución de baja velocidad;

Filtro de software: se utiliza un algoritmo de promedio deslizante para suprimir el temblor del pulso.

2. método cíclico (método t)

Principio: medir el intervalo de tiempo de los pulsos adyacentes y calcular la velocidad de rotación a través de la fórmula velocidad de rotación = 1 / (resolución × intervalo de tiempo).

Características:

Alta precisión de medición a baja velocidad (por ejemplo, a 1rpm, el intervalo de pulso del codificador de línea 1024 alcanza los 60 ms, y el error de medición se puede controlar dentro del 0,1%);

El error aumenta a alta velocidad (por ejemplo, a 1000 rpm, el intervalo de pulso es de solo 0,6 ms, limitado por la precisión del reloj).

Esquema de optimización:

Inserción de reloj de alta frecuencia: el intervalo de pulso se subdivide con un reloj de más de 100 MHz para mejorar la precisión de la medición de alta velocidad;

Medición síncrona de múltiples pulsos: captura varios ciclos de pulsos al mismo tiempo y toma el promedio para reducir el error aleatorio.

3. Ley mixta (ley mt)

Principio: combinar el método de frecuencia con el método de período, contar el número de pulsos (método m) en un tiempo fijo y medir el número de pulsos de reloj de alta frecuencia (método t) al mismo tiempo, calcular la velocidad de rotación a través de la fórmula de velocidad = frecuencia de reloj de alta frecuencia × número de pulsos / (resolución × conteo de reloj de alta frecuencia).

Características:

Equilibrio de precisión en toda la región de velocidad (por ejemplo, el error entre 1rpm y 10000rpm es inferior al 0,01%);

El algoritmo tiene una alta complejidad y requiere soporte de hardware especial.

Escenarios de aplicación típicos:

Máquina de tracción del ascensor: utilice el método Mt para medir la velocidad del motor, lograr una precisión de control de velocidad de 0,01 m / S y garantizar la comodidad del ascensor;

Motor de tracción principal del vehículo de Nueva energía: a través del diseño redundante del codificador incremental y el transformador giratorio, combinado con el método Mt para lograr el control de arrastre de baja velocidad de 0,1 rpm;

Sistema de remo de la turbina eólica: en el rango de velocidad ancho de 0,1 RPM a 15 rpm, el método MT garantiza que la precisión de control del ángulo de la hoja alcance ± 0,1 °.

IV. desafíos tecnológicos y tendencias de desarrollo

Aunque los codificadores incrementales tienen ventajas en costos y confiabilidad, sus defectos como la Dependencia de contadores externos y la necesidad de volver a encontrar cero después de un corte de energía todavía limitan la expansión de la Aplicación. El desarrollo tecnológico actual muestra dos tendencias principales:

Integración inteligente: diseño integrado del codificador y el conductor, hardware de conteo de impulsos, cálculo de velocidad y compensación de errores a través de chips DSP incorporados, reduciendo la carga del controlador;

Fusión de sensores múltiples: combinando codificadores incrementales con codificadores absolutos y sensores de corriente, se construye un sistema de retroalimentación multimodal para mejorar la capacidad tolerante a fallas del sistema (como cambiar al control del anillo de corriente cuando el codificador falla).

　

　 Codificador incrementalCon su alta relación calidad - precio y fiabilidad, ocupa una posición dominante en el campo del control de posición y la medición de velocidad del servomotor. Con la mejora de los requisitos de precisión e inteligencia de los equipos de la industria 4.0, los codificadores incrementales están rompiendo constantemente los límites de rendimiento a través de la innovación tecnológica para proporcionar soluciones de control de movimiento más precisas para la fabricación inteligente.