变频电机为什么要装编码器？不是你想的那样

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来源 | 空气质量编码

在自动化控制中，我们经常会遇到各种电机的控制。 输送带、电梯、起重小车等较大功率电机大多采用变频电机。 各种品牌的PLC+变频器驱动控制的变频电机也很受欢迎。

然而，用户经常会遇到这样的问题：

为什么变频电机需要编码器？

不加编码器可以吗？

如果变频电机配备编码器，是否可以作为异步伺服进行控制？ 可以做定位控制吗？

有些变频电机控制不仅配备一个编码器，而且还配备双编码器闭环。 到底是怎么回事？

有人说“变频电机做不好定位，也做不好同步，要实现同步控制，需要换成同步伺服电机”？

变频电机的编码器信号经常受到干扰，很容易断线。 我该如何选择编码器？

本文首先和大家讨论一下为什么变频电机需要配备编码器。

一

基本概念：变频电机驱动器没有位置环。 变频电机上的编码器是“速度编码器”，用于精确计算电机反电动势的速度反馈。 电机反电动势与电机转子速度成正比。

由于伺服电机的广泛使用，现在很多控制思想都是用伺服电机来进行比较和衡量的，虽然变频控制早于伺服控制。 伺服电机的控制是位置环、速度环、扭矩环的闭环控制。 这体现在永磁同步电机的设计原理上。 驱动电流的相位与转子的位置同步。 伺服电机的驱动决定了位置环。 这是一个“自然”的闭环。 变频电机驱动是异步的，有时也称为异步电机。 即使是电机后部的编码器反馈，也只有速度环，而电机驱动上并没有“位置环”，所以这个编码器就是“速度编码器”。

变频电机编码器作为速度编码器，主要目的是计算电机转子的反电动势，以实现与当前电机反电动势相对应的精确驱动控制。

当驱动电流启动电机转子旋转时，根据电磁学定律，当磁场发生变化时，附近的导体会产生感应电动势，其方向符合法拉第定律和楞次定律，且正好相反为最初施加到线圈两端的电压。 该电压就是反电动势。

根据能量守恒定律：

电机驱动器发出的电能=机械能（驱动电流与反电动势的平衡）+损耗（电机电流阻抗热损耗、机械阻力、电阻箱热损耗等）。

当电机开始加速时，驱动电流产生的旋转势能必须大于反电动势能（矢量为正），但不能太大。 过大的电流会损失在电机的热能和电阻箱的热能中。 速度编码器的反馈提供给变频器计算反电动势，使得驱动器旋转势能刚好大于反电动势。

每个电机都有自己的特性常数，反电动势与电机转子转速和该特性常数成正比。

反电动势 = 特性常数

对于配备编码器的变频电机，编码器信号反馈到变频驱动器，计算电机的电流反电动势，变频驱动器给出合理的控制电流。

当编码器反馈到变频器的信号计算出电机转速过低，远低于设计相应驱动电流下电机应达到的转速时，称为电机驱动“失速”。 变频电机堵转意味着反电动势有偏差。 低，电能因热损耗而消耗殆尽（反电动势低，电压分布到阻抗上）。 此时电机线圈电阻抗低，电流增大电机发热，或者逆变器电流过大，可能会导致电机或逆变器烧毁，需要堵转保护来停止电机驾驶。

针对变频电机可能出现的这种堵转现象，早期常用的方法是将电机功率和变频器功率设计得较大。 它们应该足够大，并有足够的余量来应对大电流的热损耗，以防止烧毁电机或变频器。 该设备需配备大电阻配电箱。 过压分配将平衡电阻分配箱瞬时启动时的多余能量。 这就造成了大电机设计的浪费和变频器效率的低下。 而且，在驱动电机加速时，大量的能量浪费在热损失上。

在变频电机上安装编码器，可以提高电机和逆变器在启动时的能效，减少电机和逆变器损坏的可能性。

打个比方，有经验的司机都知道，车辆低速起步时最耗油，上坡加速时更耗油。 电机驱动也是如此。 电机的大部分能量损失是在启动和加速时。 变频电机要想真正达到节能效果，最好加上编码器反馈，精细控制启动时的电流，减少启动热损耗造成的能源浪费，同时也保护电机和变频器免受损坏。

因此，如果正确选择和安装变频电机编码器，将提高电机和变频器的效率，减少损坏故障，真正体现变频电机的节能效果。 多安装一个编码器所获得的好处远远大于一个编码器的价格。

二

矢量控制模式，编码器反馈可以提高加速扭矩控制的执行力

矢量是指方向控制。 当电机驱动器的势能相对于反电动势的势能保持正值时，它就会加速。

当电机驱动的势能相对于反电动势的势能保持为负时，则处于减速状态。

矢量控制是对电机加减速执行效果的精细化控制，特别是电机低速开始加速时和电机减速停止时（低速段）的执行精度。

用牛顿第二定律来说：F=kma； F=力； m=质量； k=惯性常数； a=加速度

加（减）速度对应于电机扭矩，矢量控制对应于电机扭矩控制的执行力。 如果要达到矢量控制的精度，就需要转子加速度的精确反馈，最好采用编码器作为反馈传感器进行加速度计算。

还有一些电机使用霍尔传感器作为速度和加速度反馈； 还有无传感器的解决方案，利用电机自身的线圈来采样反电动势以进行收集和计算。 然而，在霍尔传感器和无传感器解决方案中，低速下的反馈采集精度都很差。 这意味着，当电机低速启动时以及电机减速停止时，矢量控制没有精度，属于粗略控制。

采用速度编码器的传感反馈，通常是脉冲反馈，比霍尔传感器，或者无传感器电机线圈自身反电动势的精度有更高的精度，特别是低速启动时、减速停止时高效节能。 定位执行的准确性。

回到本文开头的问题，变频电机可以不加编码器吗？

当然。 但它不具备低速时的速度和加速度的反馈精度，也失去了低速时的驾驶员控制精度。 电机启动加速（低速）时电机能耗最大，电机启动加速（低速）时电机及变频器故障损坏占50%以上。

三

异步伺服控制方式需要双编码器闭环——异步电机加减速的响应执行延迟和减速机的精度。

如前所述，异步电机与同步电机不同。 异步电机驱动环节没有位置闭环，通过速度对时间积分得到位置。 我们知道，伺服控制是指位置环、速度环、扭矩环三环闭环控制。 位置环和速度环应该是独立的。 虽然有位置变化/时间=速度，速度×时间=位置的计算，但这样的计算对于同步电机是可行的，但对于异步电机则不可行——误差和执行响应延迟的差异。 由于是异步控制，因此从速度反馈到执行响应的误差假设控制在每秒千分之一以内。 这对于异步控制来说已经是很好的精度了。 那么一千秒的最大累积位置积分误差可能会达到每秒一千倍的误差！ （17 分钟）。 为此，在一些异步电机控制器中，采用安装在电机上的编码器直接进行闭环位置计算，而不是对速度环进行积分来获取电机位置。 然而，这又遇到了另一个问题——实际的工艺要求。 在机械传动末端，机械传动和减速器的误差和延迟会影响位置控制的执行。

精密减速机问题

减速机的作用是杠杆原理。 在减速机的输入端（支点），用较小的力（使用较小功率的电机）行驶更多的路（减速前电机转速高，圈数较多），通过减速机的减速比，杠杆支点另一端的减速器输出端旋转，距离较小（减速后输出速度低，圈数少），但获得放大的输出力。 这就是杠杆原理。 然而，使用减速机并不仅仅是杠杆减速比那么简单。 它还带来机械精度损失、机械磨损、机械摩擦等阻力性能损失、传动齿轮精度和使用寿命降低、减速机输入输出时间响应等问题。 损失。

目前广泛使用的同步伺服电机大多是在较小功率电机的使用。 小型伺服电机减速机设计的主要重点是精度，而减速机的其他重要参数，如扭矩效率、材料性能、机械磨损要求并不突出。 异步电机通常用于较大功率输出要求。 减速机制造商关注材料性能、机械磨损和输出扭矩效率。 同时，末端的机械位置精度必须与小型伺服电机减速机一样高。 精确度已经很困难了。 除非用在机器人手臂上，否则机器人手臂减速机不仅要保证精度，还要具有扭矩和机械材料的耐磨性。 目前机器人减速机基本被两家日本减速机公司垄断，也是因为这种输出大扭矩、耐磨、同时精度高的减速机难度较大。 大多数其他异步伺服电机无法配备这种昂贵且垄断的精密减速机。 他们只能放弃减速机末端的机械位置精度。

如果仍需要满足异步伺服“位置环”的控制精度要求，解决方案是在机器末端加装“位置编码器”。 机械传动末端的编码器也称为“第二编码器”、“负载”。 末端加工轴编码器”。例如可以安装在减速机的输出端，如下图。

这样，在电机轴端有一个高速“速度编码器”，在电机减速传动机械端有一个低速“位置编码器”。 根据编码器的应用特点，速度编码器采用增量式脉冲编码器，脉冲频率与速度相对应； 位置编码器采用绝对值编码器（多圈范围）。 绝对值编码器对每个位置进行唯一编码，并且不需要计数器。 无需担心干扰和误差累积，与位置环控制完全对应。

四

PLC+变频器+编码器和变频电机的位置控制也可以实现良好的定位控制。

在伺服电机广泛普及之前，普通电机+编码器+PLC的闭环定位有很多应用。 添加变频器后，这种应用变得更加流行。 氧枪定位、喂料小车定位、钢厂转炉倾斜定位、龙门吊、双钩同步、港口机械上的大车行走同步校正、注塑机上的开合模定位等大量变频器+应用编码器+PLC的例子。 与同步伺服电机相比，对速度响应和精度的要求越来越高。

编码器在运动控制中的几种安装位置以及绝对编码器的作用

由于总线型以太网信号具有同步时间戳特性，因此可以将其发送至PLC或电机驱动器。 它们在多电机同步控制，尤其是不同类型电机的同步控制，如变频电机、伺服电机的同步动作中效果最佳。 ，可以提高多电机同步联动的效率。