伺服电机的脉冲控制分类与编码器类型

一、脉冲控制分类

脉冲信号可以分为AB相脉冲，脉冲+方向，CW/CCW脉冲。

1. A/B信号

指两个相互独立的相同脉冲信号（都是正弦波或都是方波），通过两个之间的相位差来达到计数或编码等作用。

位置传感器最喜欢的格式。

2. 脉冲/方向信号

PULn - 输出指令脉冲串，脉冲数对应电机运行距离，而脉冲频率对应电机运行速度，

DIRn - 输出方向信号，该信号的不同电平对应电机不同的转动方向。此种模式在驱动器中最多。

控制器最喜欢的信号格式，方向/脉冲信号是单脉冲的，脉冲信号发出脉冲数决定电机转动角度，方向信号是电平信号。

3. CW/CCW脉冲

是双脉冲工作方式，两根线都输出脉冲信号，CW为正转脉冲信号，CCW为反转脉冲信号，通常都是差分方式输出，两信号相位差度，根据相位超前或滞后来决定。

驱动器最喜欢的格式，因为这种格式解读起来最简单。

综上所述，

A/B脉冲：有一点绝对值的味道，可以纠错。

CW/CCW脉冲：对电磁干扰无法免疫，但是2个输出独立。

脉冲+方向：对电磁干扰无法免疫，2个输出相互影响必须同时作用。

二、电机的控制方式

1. 数字脉冲

这种方式与步进电机的控制方式类似，运动控制器给伺服驱动器发送“脉冲/方向”或“CW/CCW”类型的脉冲指令信号；伺服驱动器工作在位置控制模式，位置闭环由伺服驱动器完成。其优点是系统调试简单，不易产生干扰，但缺点是伺服系统响应稍慢。

2. 模拟信号

这种方式下，运动控制系统给伺服驱动器发送+/-10V的模拟电压指令，同时接收来自电机编码器或直线光栅等位置检测元件的位置反馈信号；伺服驱动器工作在速度控制模式，位置闭环由运动控制器完成。其优点是伺服响应快，但缺点是对现场干扰较敏感，调试稍复杂。

三、电机惯量与负载惯量

1.  伺服电机转动惯量

伺服电机转动惯量的计算公式为：

Jm = (1/2) * Im * (Lm / Rm)^2

其中，Jm表示伺服电机转动惯量，Im表示伺服电机的电流，Lm表示伺服电机的电枢长度，Rm表示伺服电机的电枢半径。

伺服电机转动惯量的大小与伺服电机的结构、材料和制造工艺等因素有关。

2. 负载转动惯量

负载转动惯量的计算公式为：

Jl = (1/2) * Il * (Ll / Rl)^2

其中，Jl表示负载转动惯量，Il表示负载的惯性力矩，Ll表示负载的旋转半径，Rl表示负载的半径。

负载转动惯量的大小与负载的结构、材料和质量分布等因素有关。

四、电机控制常见安全功能

安全扭矩关闭 (STO)：此功能立即切断电机驱动器的电源，使电机停止产生扭矩。 在紧急情况下，当需要尽快停止电机以防止伤害时，这是一个至关重要的功能。

安全方向 (SDI)：防止电机沿意外方向运行。

安全操作停止 (SOS)：此功能可在不切断电源的情况下使电机保持在停止状态。

安全速度范围 (SSR) 或安全限速 (SLS)：确保电机在安全速度范围内或低于安全最大速度运行。

过流保护：此功能可保护电机和电子设备免受因短路或过载等故障引起的过电流损坏。

过压和欠压保护：这些功能可防止电压过高或过低，从而损坏电机或控制电子设备。

热保护：监控电机和驱动器的温度，如果温度超过安全限值，系统可以关闭以防止过热。

速度监控和限制：确保电机不超过预定义的速度限制，这对于超过特定速度可能会产生危险的应用至关重要。

紧急停止：物理按钮或开关，可以立即使电机停止。 这是工业应用中必须的标准功能。

安全制动控制：对于配备制动器的电机，此功能可以安全地接合制动器以停止电机，特别是在重力作用下会垂直移动的应用中。 在激活安全制动功能之前，系统首先尝试使用电气制动来停止电机（如果可行），在此过程中，能量流被反转以使电机减速。

五、编码器类型

编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。

它是一种信号反馈元器件。编码器可按以下方式来分类：

5.1、根据监测的运动类型

1、线性编码器

线性编码器测量直线运动，使用传感器附着在沿导轨移动部件上。它们通常用于需要精确线性反馈的应用，如CNC加工和运动平台。

2、旋转编码器

旋转编码器测量旋转运动，通常在需要速度控制的系统中使用，如伺服电机。旋转编码器的关键属性包括定位精度、速度稳定性和带宽，这些都会显著影响电机性能。
旋转编码器可能包含轴，也可以是通孔编码器的设计，这意味着它们可以直接安装在旋转轴(如电机轴)的顶部。通孔编码器有多种尺寸可供选择，并且具有夹紧或锁紧螺母安装选项，使其适用于机器设计应用中的安装。法兰用于定位编码器并防止其随移动轴一起旋转。

3、角编码器

角编码器也是旋转式的，但在较低的旋转速度下提供更高的精度，适用于需要极高精度的应用，如半导体制造。

5.2、按码盘的刻孔方式不同分类

编码器主要分为增量式编码器、‌绝对式编码器和混合式绝对编码器。‌

1、增量式编码器

这种编码器通过将位移转换成周期性的电信号，‌再将电信号转变成计数脉冲，‌通过计数设备来知道其位置。‌增量式编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，‌但不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。‌它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，‌提供对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（‌速度）‌的传感方法。‌增量式编码器的输出信号包括A、‌B两组正交输出信号，‌相位差90度，‌用于判断旋转方向，‌同时还有用作参考零位的Z相标志脉冲信号。‌

2、绝对式编码器

绝对式编码器直接输出数字，‌在圆形码盘上沿径向有若干同心码盘，‌每条道上透光和不透光的扇形区相间组成。‌码盘上的码道数是二进制数码的位数，‌码盘的一侧是光源，‌另一侧对应每一码道有一光敏元件。‌当码盘处于不同位置时，‌光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，‌形成二进制数。‌绝对式编码器的特点是每个位置对应一个确定的数字码，‌因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，‌而与测量的中间过程无关。‌绝对编码器能够直接进行数字量大的输出，‌在码盘上会有若干的码道，‌码道数就是二进制位数。‌在不同的位置输出不同的数字码，‌从而可以检测绝对位置。‌但是分辨率由二进制的位数决定，‌即精度取决于位数。‌

3、混合式绝对编码器

混合式绝对编码器输出两组信息，‌一组信息用于检测磁极位置，‌带有绝对信息功能；‌另一组则完全同增量式编码器的输出信息。‌这种编码器结合了增量式和绝对式的特点，‌提供了更丰富的信息和更高的精度。‌

5.3、按信号的输出类型分类

可分为：电压输出、集电极开路输出、推拉互补输出和长线驱动输出。

5.4、以编码器机械安装形式分类

（1）有轴型：有轴型又可分为夹紧法兰型、同步法兰型和伺服安装型等。

（2）轴套型：轴套型又可分为半空型、全空型和大口径型等。

5.5、以编码器工作原理分类

可分为：光电式、磁电式和触点电刷式。

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