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ERN1387電梯伺服編碼器獨步武林的祕籍是什麼?


  中國城市化在近十年高速發展,城市中市民居住的高層公寓、高層辦公大樓一棟棟矗立,千萬市民無論是居家於高層公寓,還是上班辦事到高層辦公大樓,每天都要坐電梯上上下下,而高層建築中的每一部電梯就有一顆編碼器,控制電梯執行的速度加速度和保證乘客坐電梯上上下下的舒適度:快速平穩啟動、連續加速、柔和制動、快速準確到達樓層,無任何不適感。

  ERN1387究竟有什麼獨門祕籍?

  在這些高層電梯中,大部分已使用永磁同步力矩電機直接驅動。永磁同步力矩電機以其體積小、輸出力矩大、效能高的直接驅動模式,在高層電梯中被廣為使用。永磁同步伺服電梯自2003年進入中國電梯市場至今十幾年,每年還在以新增幾十萬臺遞增,市場保有量總量已達數百萬臺電梯在執行。而這種永磁同步力矩電機像其它伺服電機一樣,都需要配有一顆編碼器訊號反饋,十多年來這個規格編碼器超過半數為德國海德漢的ERN1387獨佔市場,全國保有量數百萬個這樣的編碼器在執行,ENR1387編碼器獨步電梯武林做老大已有十五年!另有少量為日本多摩川的類似產品也是在後來才進入,其他外資品牌也只佔少量比例,更無國產化編碼器能夠進入到這個市場。作為電梯曳引機廠家曾經多方尋求打破德國海德漢ERN1387的壟斷,希望有更多廠商可以供貨形成價格競爭而降低成本,甚至有國產化編碼器可以替代。但是,其他各個品牌(包括一些著名外資品牌)編碼器的替代試用,由於種種技術上原因無法達到ERN1387的成效,各種替換的嘗試都不理想。是試圖替代者們忽略了什麼技術而沒能做到替代成功呢?還是ERN1387究竟有什麼獨門祕籍?

  同步伺服電梯曳引機和伺服編碼器


  早期的電梯曳引機為非同步電機,通過減速機帶動電梯捲揚提升鋼絲繩,整體體積大執行速度慢,功率效能在減速機上損失較大。較為先進的曳引機使用了永磁同步力矩電機,沒有減速機的效能損耗,直接驅動電梯捲揚提升鋼絲繩,這也是伺服電機的一種,是伺服電機就需要加裝編碼器反饋,以作為位置、速度加速度力矩環的訊號反饋。這顆伺服編碼器ERN1387就安裝於電機中心軸上。

  ERN1387編碼器


  1,機械安裝特點:

  ERN1387轉軸為一個錐形通孔軸插入電機軸安裝,編碼器錐軸面緊貼電機軸錐形面剛性連線,將編碼器後蓋開啟,用一個螺絲穿過編碼器轉軸通孔,與電機軸擰緊固定。當螺絲擰緊時,編碼器底座上一個頂針受電機側安裝面頂壓,漲開編碼器的漲固圈,與電機側圓形固定面卡緊固定。漲固圈是一個平面彈簧,允許安裝有一定的公差範圍和彈性,並且消除電機振動對編碼器的機械損傷。

  這樣特殊的安裝方式,使用者僅需一個螺絲固定編碼器,而編碼器的轉軸與電機的轉軸是直接剛性連線的,沒有用聯軸器而避免了角度偏差損失,可以方便安裝並保證最佳機械安裝精度

  2,訊號輸出特點:

  ERN1387為光學碼盤式工作原理,輸出1Vpp的ABCDZ五個正餘弦訊號組,見下圖(有關光學正餘弦訊號簡介請讀《AQ編碼》公眾號上文,在此簡單掠過)。

  其中,AB為2048個脈衝的正餘弦訊號;CD為每圈一個週期的正餘弦訊號;Z(或稱為R)為每圈一個零位訊號,便於運動中快速給AB增量訊號計數提供零位參考。

  3,訊號後部的細分及用途

  伺服電機換向訊號由CD(C-D-)提供,在光學碼盤有四個單週變化的刻軌,1KΩ電阻時的典型訊號幅值為1Vpp。後續電子電路的輸入電路與1Vpp介面相同,要求終端電阻Z0為1KΩ而不是120Ω。

  ERN1387的AB訊號為2048個脈衝週期的正餘弦訊號訊號可經電纜傳輸150米,在後續電子裝置中再經過細分6~12位,獲得更高的解析度。理想的正餘弦訊號是單一頻率的純電磁波,在雙絞遮蔽線纜傳輸中串音小,僅對接近其頻段的干擾波敏感,而對於大部分干擾雜波並不敏感,在後續電路接收經過一次差分後再細分,可以濾去幹擾雜波,因而訊號抗干擾性強。

  4,編碼器精度的極致體現

  ——ERN1387的系統精度是20角秒;

  ——ABCD正餘弦訊號的波形偏差小於1%。這些訊號適用於100倍的鎖相環(PLL)細分電路;接近於理想的正餘弦訊號是單一頻率的純電磁波,傳輸中抗干擾強。

  ——極致的聯軸機械安裝方式。永磁同步力矩直接驅動,沒有傳動損失。

  (大多的旋轉編碼器精度都在35角秒以外,甚至有的是角分級別,有些只是重複精度資料)。

  ERN1387的這些引數特性其實早就公開,其他品牌試圖替換ERN1387的編碼器,使用相似的錐形軸機械安裝形式,輸出同樣的2048正餘弦訊號,後面用同樣的細分電路,為什麼達不到ERN1387的成效?

  也許他們僅僅只強調了編碼器2048正餘弦訊號細分的高分辨度,可能忽略了編碼器精度對於伺服控制加速度穩定性的重要性,由於同步電機電梯沒有傳動裝置,加速度的平穩性直接暴露在電梯轎廂上,而轎箱內乘客每個人的中耳平衡系統對於轎廂變化加速度平穩性卻極為敏感,那就與編碼器精度有關了!

  編碼器的解析度與精度

  編碼器的解析度,是指編碼器可讀取並輸出的最小角度變化,對應的引數有:線(line),一般是指編碼器的碼盤的光學刻線,如果編碼器是直接方波輸出的,它就是每轉脈衝數(PPR)了,但如果是正餘弦(sin/cos)訊號輸出的,是可以通過訊號模擬量變化電子細分,獲得更多的方波脈衝PPR輸出,編碼器的方波輸出有A相與B相,相差1/4個脈衝週期變化,可以獲得1/4脈衝週期的變化步距(4倍頻),這就是最小測量步距(Step)了,所以,嚴格地講,最小測量步距就是編碼器的解析度。有時描述編碼器解析度用多少位(Bit),就是以最小可分辨步距的2的冪次方,例如2048個AB方波脈衝,可經過四倍頻,獲得相當於8192個分割最小步距,也就是13位。

  編碼器精度,是指編碼器輸出的訊號資料對測量的真實角度的準確度,對應的引數是角分(′)、角秒(″)。

  伺服編碼器的高解析度一般都是由模擬訊號再細分獲得。

  伺服編碼器精度偏差有多個部分組成:

  第1組,機械軸系和安裝偏差;編碼器單圈圓周的偏差;如果伺服電機有傳動啟動負載,還有傳動誤差。當有傳動偏差引入,重複精度不再重複。還有感測器到執行器的執行週期角度偏差(與轉速有關)。很幸運,在電梯永磁同步電機驅動中是直驅的,沒有傳動誤差

  第2組,多訊號週期編碼器的單訊號偏差、噪音、細分引入的電子誤差

  細分無法提高第1組機械軸系和安裝的精度,也無法提高編碼器單圈圓周的精度

  細分可以提高第2組的精度應用,當細分後的最小步距接近於單訊號週期精度範圍,細分是可以充分利用訊號精度獲得更好的伺服動態特性,這就是合理的細分帶來編碼器高解析度的好處;但是當細分過度後,最小步距已經小於單訊號週期偏差範圍和噪音範圍,再細分已經沒有意義了,這將引入更多的噪音使訊號紊亂。

  經過度細分獲得虛假的高位數訊號,在低位幾位會受到噪音影響而抖動, 通過低通濾波可以用多次取樣取平均值的做法消除抖動紊亂的噪音,在低速時顯得編碼器輸出數字步距小而沒有噪音抖動,在低速及停止時可以獲得較小的伺服脈動步距,這樣看似效果很好看(瞞天過海哦),但那是犧牲了取樣期間的時間為代價(幾個Hz),這個時間間隔內編碼器已經轉動了一定的角度,濾波獲得的平均值實際上已經還有一個延時角度誤差的引入。這樣的低通濾波僅對於低速測量及較小的脈動步距穩定性有效,或者提供「好看」,對於運動起來的伺服控制已沒有了意義。

  編碼器解析度與精度對伺服的影響

  一般的理解,伺服編碼器精度與伺服控制位置環有關,而解析度作用於伺服控制的速度環。在測量系統中,所謂的「瞬時速度」是沒有的,只是時間間隔越短,就越接近於「瞬時」,而越接近於「瞬時速度」的控制,「動態特性」與「剛性」控制就越好,高速時的瞬時特徵也越就明顯。

  變化的位置/部門時間=速度;變化的速度 /部門時間=加速度

  變化的加速度/部門時間=加加速度,,,

  低速中,單訊號週期的偏差對於速度穩定性起決定性作用。高速中,以及在變化的加速度中,編碼器的系統偏差和單訊號週期的偏差對於變化的加速度穩定性都會起決定性的作用。

  以牛頓第二定律來言:F=kma ;

  F=力;m=品質;k=慣性常數;a=加速度

  電梯曳引機驅動電流輸出變化的力矩,其與電梯變化的加速度對應。其中乘客人數的多少改變了電梯負載,電梯驅動力矩也要改變,對於不同的載人數負載變化,伺服控制卻需要同樣的平穩加速度曲線。這反映到伺服編碼器訊號反饋對於加速度的計算尤為重要了。顯然,伺服的速度計算就要求時間間隔儘量的短,那麼,解析度的提高對於越短時間裡取得位置變化取樣就要多,而且越是高階的求導,這個時間間隔越要短,而取樣的位置變化要多,這個就求助於「高解析度」了,所以高解析度對於速度環和加速度環的貢獻是很明顯的。

  但是,精度誤差在高階的計算中,也是按級數增加的,當精度誤差與取樣解析度的比例達到一定時,在高價的計算中就急劇上升,如再加上控制的機械響應誤差的增加,其反應的就是變化加速度計算的對應電機電流的控制誤差--電流控制紊亂,無功熱耗,電機發燙,電梯加速度不平穩了。電梯乘客人的感覺就是人的中耳平衡系統對加速度的敏感性,當加速度不平穩時,人就會產生暈眩。實際上此時的伺服「動態特性」已經是不平穩的抖動狀態了。由此,高精度編碼器對於速度環,尤其是高階的動態特性,實際上比解析度更加的重要,解析度可以不斷的細分上去,而「精度」是無法通過細分提高,甚至細分會帶來更大的噪音誤差

  經驗證明,高解析度反饋對低速下的速度和位置閉環剛度和穩定性貢獻非常顯著,但編碼器訊號品質欠佳,導致一個正餘弦訊號週期內的細分均勻性變差時,高速下的速度穩定性反而為其所累。

  電梯轎廂中,乘客人的中耳平衡系統對變加速度的平穩性曲線很敏感,不穩定的波動將對人產生暈眩心慌感覺。

  編碼器解析度與精度對伺服的影響——來自ERN1387廠家的介紹

  (下面這段文字及表格引用了海德漢公司公開的技術資料參考,讀者可選擇閱讀)

  可控的伺服驅動技術為了增大控制環的增益,需要充分考慮系統的動態效能、速度的穩定性及系統的剛性,位置編碼器的選用是影響驅動控制效能好壞的一個非常重要的因素。特別是位置的解析度及一個訊號週期內的位置誤差對系統效能影響非常明顯。

  幾種伺服電機位置檢測器件的主要效能比較

  週期誤差對控制效能的影響:

  為了實現所需的高解析度,必須對掃描出來的正弦訊號進行細分。偏離理想的正弦訊號在細分時就會產生一個訊號週期內的週期誤差,因此一個訊號週期內的位置誤差也稱為細分誤差。在高品質的編碼器上細分誤差通常是訊號週期的1%至2%。

  細分誤差會影響位置精度,同時也會非常明顯地降低驅動系統的速度穩定性以及帶來噪音。速度控制器會根據誤差曲線計算電流來增加或減低驅動系統的速度。在低速時驅動的進給滯後於細分誤差。在加速時細分誤差的頻率也會增加。因為只有在控制系統的頻寬範圍以內電機才能跟隨誤差的波動,細分誤差速度穩定性的影響會隨著速度的增加而減少。然而,它對電機電流的擾動繼續增加,在高增益的控制環系統中將給驅動帶來很大的擾動噪音,其結果可能就是產生熱量而電機發燙,並最終毀損電機

  伺服驅動能達到的精度取決於測量誤差的幅值以及週期。因為單訊號週期(例如單磁極磁編)一轉只產生一個訊號週期,細分誤差就會有很大的影響:使用表1中的資料,控制系統的頻寬設為100Hz,驅動系統跟隨週期編碼器一個訊號週期的細分誤差速度可達6000r/min。也就是說在任何速度範圍內都會有速度的波動。

  當使用光電式旋轉編碼器時,只是在低速時驅動系統才滯後於細分誤差。使用和上面同樣的例子,使用2048線的光電式旋轉編碼器,當速度在0至2.8 r/min時一個訊號週期內的細分誤差才會變得很明顯。由此而引起的位置誤差通常在6」以內。

  位置解析度對速度控制的影響:

  應用在伺服驅動上的編碼器的解析度和精度通常是變化的,所以可能實現的最小測量步距對控制環的影響需要密切關注。只對速度控制環增益是線性的情況來分析有限的位置解析度的主要影響。筆者忽略位置控制器和積分速度環,來分析下列引數的驅動系統:

  取樣間隔T: 100μs;

  P-增益KPG : 600s-1;

  電機慣量JM : 0.001kgm2;

  恆定扭矩KKM: 0.68Nm/A;

  根據這些引數,具有14位細分的旋轉變壓器的最小測量步距,會引起3.4A的電流波動,也就意味著電機峰值電流的50%需要考慮進來。而另一方面值得注意的是具有更小測量步距17位的感應式編碼器只有400mA的電流波動,25位的光電式旋轉編碼器電流的波動更小,只有不到2mA。

  與控制系統設計和結構一樣,測量技術也是決定電氣驅動效能的因素之一。機床各個軸的位置精度速度穩定性決定了工件和產品品質的好壞。這就需要位置編碼器能夠提供足夠數量的測量步數和好的訊號品質。

  驅動系統的機械方面的影響和編碼器的位置誤差都將引起速度穩定性的不規則變化。如果測量訊號的解析度太低或者細分誤差太大,波浪狀的誤差就會出現在工件加工表面。在生產系統裡面特定運動的速度穩定性也可以看作與品質有關的生產引數。

  編碼器的解析度和精度在很大程度上能提高電機速度穩定性,同時,也極大地減少了電機電流的波動。電機運轉時噪音小,產生的熱量也會很少。

  理想的具有高細分倍數的輸出訊號支持高的頻寬,也就是說載荷的變化對旋轉速度的影響很小。

  (以上引用海德漢公司公開技術資料)

  ERN1387的「祕籍」——編碼器精度對伺服控制的影響力

  ——機械安裝精度的極致化,沒有聯軸器角度偏差損失的剛性錐形面聯接。

  ——編碼器系統精度高,達到優於20角秒。

  ——輸出正餘弦訊號完美度,偏差小(小於1%),150米的差分訊號傳輸距離抗干擾性強。

  ——沒有傳動系統打掩護的直接面對電梯乘客體驗,擋住了其它因編碼器精度不夠而引起加速度不穩定的競爭者。

  在不同的載人數引起負載在變化的電梯執行中,裝有ERN1387編碼器電梯經歷從停止到高速,再從高速到停止的加速度變化時,編碼器輸出角度訊號的高精度幫助了伺服控制始終有穩定的電流環,而獲得同一穩定變化的轎廂加速度曲線,電梯轎廂中的乘客就很有舒適感了。

  如果忽視編碼器精度重要性,而只是靠細分獲得的高解析度的編碼器,將顯露出伺服控制電流環不穩定,變化的加速度曲線不平滑的弊端,由於同步電梯是直接驅動沒有減速裝置的,電梯轎廂中的乘客就會直接感覺到電梯加速的不平穩而暈眩心慌,而要去投訴電梯廠家了。

  ERN1387獨步電梯武林十五年的祕籍不再神祕

  誰能來打破它的壟斷?

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