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旋轉編碼器和速度環的關系
發布時間:2019-04-04
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之前我們介紹了伺服電機旋轉編碼器的分辨率和精度的問題,那么分辨率和精度對于速度環的影響是什么呢?速度環的精度和波動性又和什么有關呢?今天,我們就和大家聊聊速度環和編碼器的關系。



閉環系統中編碼器作為反饋環節時影響控制系統的性能主要有以下三個方面: 

一、響應速度、精度和分辨率

1、響應速度:響應速度最容易理解的,反應遲鈍的編碼器就像一個理想的傳感器串聯一個低通濾波器,這樣在整個閉環控制系統中會產生相位滯后,以至于影響了整個系統高頻段的穩定性?,F在大多數的應用中,伺服電機的編碼器反饋速度非???,可以看作是理想的傳感器。但是有些通信速率較低的串行通信編碼器(SSI)其通信方式不可避免的引起一定的延遲,導致速度環的帶寬受到限制。

2、精度:對于精度的影響,我們首先需要定義速度精度的概念,精度是衡量實際值和設定值之間可重復的平均偏差的量值。速度精度的說明如圖1所示,其表示一段時間內的設定值和實際值的整體偏差,因此所謂速度精度可以理解為被調量與規定的給定值的絕對穩態誤差。

圖1 速度精度(accuracy)圖示

3、穩定度:雖然很多調節目標中都涉及到了精度,但在實際上大多數情況下,我們更希望得到的是調節過程的 “穩定度”。這個穩定度又可以理解為速度的 “波動性”。速度波動性的定義為: 波動性是不期望的實際值特性,它會疊加在速度平均值上。

圖2 速度波動性(ripple)圖示

       對于使用西門子的SINAMICS S120系列變頻器及伺服電機的伺服控制系統,在實驗室環境中,電機工作在額定轉速及額定轉矩時,轉速精度可以達到額定轉速的0.001%,如下表所示。

示例:使用S120 驅動1FK7032-2AK71-1QA0 伺服電機,此電機額定轉速6000 RPM,電機的編碼器為20位單圈絕對值。

我們使用60 RPM轉速運行,記錄增量脈沖數(R482)與實際轉速(R61),如圖3所示:

圖3 R482及R61的記錄

我們記錄3s的時間間隔,不考慮誤差因素,電機應該增加3*220=3145728個增量脈沖信號。但是,實際上電機旋轉了3145731個增量脈沖數,其誤差值為3個增量脈沖數,轉換為轉速為60+(3/3145728)*60=60.00005722RPM,那么其精度為:(60RPM-60.000057RPM)/6000RPM=-0.000001%<0.001%

圖3的精度值很理想,但是速度波動性表現很差。

二、速度波動性受如下因素影響

(1)    編碼器有限的分辨率以及速度環周期(分辨率越低,周期時間越長,速度波動就越大)。

(2)    不良的編碼器安裝方式會導致編碼器反饋出現低頻周期性波動。

(3)    伺服電機的齒槽轉矩波動也會導致速度環下的低頻周期波動。

三、結論

(1)    在實際應用中,受編碼器有限的分辨率、安裝和伺服電機制造等因素而導致的速度周期波動的影響要比單純的速度精度更加重要,需要工程師在使用中考慮以上因素。

(2)    對于降低速度的波動性可以采用的手段有,選擇高分辨率的編碼器、縮短速度環周期、提高編碼器安裝的精度以及使用我們伺服系統中提供的齒槽轉矩補償功能等降低速度環波動性的影響,避免機械設備在高動態應用下出現振動和噪聲。


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