在自动化控制中经常会碰到各种电机的控制，在输送带、升降机、提升小车等较大功率的电机大部分是用变频电机，各个品牌PLC+变频器驱动控制变频电机也很普及了。

但是，用户经常会有这样那样的问题出现：

变频电机为什么要装编码器?不装编码器也行吗?

变频电机装了编码器，就是可以作为异步伺服控制了？就可以做定位控制了吗?

有些变频电机控制不仅装了一个编码器，还有双编码器闭环，是怎么回事？

有人说，“变频电机做不好定位的，也做不好同步，要做同步控制就要换同步伺服电机?”

变频电机的编码器信号经常被干扰，也很容易坏，该怎么选编码器呢？

本文先与大家讨论一下变频电机为什么要装编码器这个问题。

一

变频电机增加安装编码器，就可以提高电机与变频器在启动时的能量效率，减少电机与变频器损坏的可能。

一个比喻，开车的老司机都知道，车辆从低速启动时是最耗油的，如果是上坡加速更加耗油。电机驱动也是一样的道理，电机的能量损耗大部分是在启动加速时。变频电机如果想要真正达到节能的效果，最好就要加编码器反馈，在启动时精细化控制电流，减少启动热损的能量浪费，同时也保护电机与变频器不易损坏。

因此，如果变频电机编码器选型与安装得当，由于电机与变频器效率的提高，损害故障的减少，并且能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效益是远远大于一个编码器的价格。

二

三

异步伺服控制模式需双编码器闭环——异步电机加减速的响应执行力延迟与减速机精度问题。

如果还要求达到异步伺服“位置环”的控制精度要求，解决的方案就是在机械末端再加装一个“位置编码器”，这个机械传动末端的编码器也称为“第二编码器”“负载端工艺轴编码器”。例如可以装在减速机的输出端，如下图。

这样，在电机轴尾部有一个高速的“速度编码器”，在电机减速传动的机械末端有一个低速的“位置编码器”。根据编码器的应用特性，速度编码器选用增量脉冲编码器，脉冲频率与速度对应；位置编码器选用绝对值编码器(多圈量程)，绝对值编码器的编码每一个位置唯一，无需计数器不担心干扰与误差累加，正好与位置环控制对应。

需要在两个位置上安装两个编码器，在变频电机轴上(后部)是速度编码器，在机械传动末端安装的第二编码器是位置编码器。

这种控制方式，为变频电机、异步伺服控制的“双编码器闭环”模式。

典型的如风力发电变桨叶控制，下图为工博会上KEB驱动器P6展示的双编码器闭环控制原理图：

四

双编码器闭环的方案，如果再加上矢量变频控制，安装在变频电机上的速度编码器信号进矢量变频，提高变频器加减速的控制执行力；安装在机械传动末端的位置编码器信号进PLC，可以提高位置控制精度与位置到位响应。

回到本文开头提出的问题， 有人说"变频电机做不好定位，要换同步伺服电机去做“，那是因为只用了一个编码器，想当然的与同步伺服电机去比较，而变频电机是异步驱动的，位置环不在电机上，是在”外环“上。

事实上，即使去换了同步伺服电机，双编码器闭环方案同样适用于较大功率的同步伺服电机控制，如果用较大力矩输出的减速机，减速机损失的精度与响应的问题同样存在，在低速负载端加装第二编码器(位置编码器)同样的有必要。

展会上出现的低速端加装第二编码器的伺服控制系统：

五

多电机同步控制问题，是位置同步而不是速度同步。

在上面的讨论中，我们已经知道变频电机是异步电机，速度环与位置环的控制是各自独立的，需要两个不同位置的编码器做反馈。多电机的“同步”问题，需要先搞明白，用户的题目要求：究竟是速度同步？还是位置同步？

这是两种不同的控制策略，它们的“同步”效果是不一样的。而实际上大部分的多电机同步问题是位置同步要求，也就是电机角位移同步。当计算时分割的每个时间段以及累加的时间段，多个电机的角位移始终控制在一个偏差范围内，这就是位置同步。这也就是说，变频电机做同步应该选装第二编码器，也就是位置编码器作同步反馈信号。例如，输送带同步，升降机左右同步，变频电机与伺服电机的动作同步。

有关多电机的同步控制，以后会有文章再与大家一起专门讨论。

六

变频电机的特别性，选型编码器须注意事项：

1. 电机功率大，启动瞬间三相电压不平衡较为普遍，瞬间产生偏向磁场的交流感应电流冲击造成编码器的信号干扰与损坏。

2. 电机大，驱动力强，启动轴向窜动较大，编码器轴机械冲量损伤。

3. 在PLC+变频器+编码器的控制方案中，编码器信号进PLC的传输距离较长。

速度编码器就是增量脉冲编码器，一般以1024PPR的分辨率就足够了。

速度编码器应选用带有反相信号的增量编码器。由于电机启动瞬间的三相不平衡，会在空间产生离心的感应磁场，并对编码器有偏向的双向交流电流耦合干扰与冲击。单极性的直流集电极开路输出模式，其在反向电流截止时能量堆积，难以经受住长期的双向交流感应电流的冲击，较容易损坏。而且信号很容易被干扰，因此变频电机编码器不建议选用集电极开路输出信号的编码器(不建议使用NPN或者PNP型)。

变频电机编码器建议选择双极性的输出模式编码器(A+A-B+B-Z+Z-)，对应于双向感应电流都有对0V的输出通道将感应冲击能量转走。没有冲击能量堆积而不太容易损坏编码器电路。同时，编码器的工作电压范围应该较宽，电源应带有反极性保护，信号线带有短路保护，以对应变频电机启动时双向的交流耦合冲击。

增量脉冲信号编码器，输出信号为5--24V的双向的A+A-B+B-。

另外，带有反相信号的双极性信号在双绞线上对于外部感应是共模的，可以在接收端用差分平衡方式消除，信号抗干扰强，也易于较远距离的信号传输。编码器信号传输距离参数应该选至少大于50米，这并不是实际现场也许只有几米就不需要看此参数，而是变频电机用的编码器，信号传输时的抗干扰能力要求比伺服电机高，可查看选用的编码器参数。

总线型以太网EtherCat信号由于有同步时间戳特征，可以进PLC也可以进电机驱动器，在做多电机同步控制的效果最佳，尤其是不同类型的电机同步控制，例如变频电机与伺服电机的同步动作，可提高多电机同步联动的效率。

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