在自動化控制中經常會碰到各種電機的控制，在輸送帶、升降機、提升小車等較大功率的電機大部分是用變頻電機，各個品牌PLC+變頻器驅動控制變頻電機也很普及了。

但是，用戶經常會有這樣那樣的問題出現：

變頻電機為什么要裝編碼器?不裝編碼器也行嗎?

變頻電機裝了編碼器，就是可以作為異步伺服控制了？就可以做定位控制了嗎?

有些變頻電機控制不僅裝了一個編碼器，還有雙編碼器閉環，是怎么回事？

有人說，“變頻電機做不好定位的，也做不好同步，要做同步控制就要換同步伺服電機?”

變頻電機的編碼器信號經常被干擾，也很容易壞，該怎么選編碼器呢？

本文先與大家討論一下變頻電機為什么要裝編碼器這個問題。

一

變頻電機增加安裝編碼器，就可以提高電機與變頻器在啟動時的能量效率，減少電機與變頻器損壞的可能。

一個比喻，開車的老司機都知道，車輛從低速啟動時是最耗油的，如果是上坡加速更加耗油。電機驅動也是一樣的道理，電機的能量損耗大部分是在啟動加速時。變頻電機如果想要真正達到節能的效果，最好就要加編碼器反饋，在啟動時精細化控制電流，減少啟動熱損的能量浪費，同時也保護電機與變頻器不易損壞。

因此，如果變頻電機編碼器選型與安裝得當，由于電機與變頻器效率的提高，損害故障的減少，并且能真正體現變頻電機的節能效果，多安裝一個編碼器所獲得的效益是遠遠大于一個編碼器的價格。

二

三

異步伺服控制模式需雙編碼器閉環——異步電機加減速的響應執行力延遲與減速機精度問題。

如果還要求達到異步伺服“位置環”的控制精度要求，解決的方案就是在機械末端再加裝一個“位置編碼器”，這個機械傳動末端的編碼器也稱為“第二編碼器”“負載端工藝軸編碼器”。例如可以裝在減速機的輸出端，如下圖。

這樣，在電機軸尾部有一個高速的“速度編碼器”，在電機減速傳動的機械末端有一個低速的“位置編碼器”。根據編碼器的應用特性，速度編碼器選用增量脈沖編碼器，脈沖頻率與速度對應；位置編碼器選用絕對值編碼器(多圈量程)，絕對值編碼器的編碼每一個位置唯一，無需計數器不擔心干擾與誤差累加，正好與位置環控制對應。

需要在兩個位置上安裝兩個編碼器，在變頻電機軸上(后部)是速度編碼器，在機械傳動末端安裝的第二編碼器是位置編碼器。

這種控制方式，為變頻電機、異步伺服控制的“雙編碼器閉環”模式。

典型的如風力發電變槳葉控制，下圖為工博會上KEB驅動器P6展示的雙編碼器閉環控制原理圖：

四

雙編碼器閉環的方案，如果再加上矢量變頻控制，安裝在變頻電機上的速度編碼器信號進矢量變頻，提高變頻器加減速的控制執行力；安裝在機械傳動末端的位置編碼器信號進PLC，可以提高位置控制精度與位置到位響應。

回到本文開頭提出的問題，?有人說"變頻電機做不好定位，要換同步伺服電機去做“，那是因為只用了一個編碼器，想當然的與同步伺服電機去比較，而變頻電機是異步驅動的，位置環不在電機上，是在”外環“上。

事實上，即使去換了同步伺服電機，雙編碼器閉環方案同樣適用于較大功率的同步伺服電機控制，如果用較大力矩輸出的減速機，減速機損失的精度與響應的問題同樣存在，在低速負載端加裝第二編碼器(位置編碼器)同樣的有必要。

展會上出現的低速端加裝第二編碼器的伺服控制系統：

五

多電機同步控制問題，是位置同步而不是速度同步。

在上面的討論中，我們已經知道變頻電機是異步電機，速度環與位置環的控制是各自獨立的，需要兩個不同位置的編碼器做反饋。多電機的“同步”問題，需要先搞明白，用戶的題目要求：究竟是速度同步？還是位置同步？

這是兩種不同的控制策略，它們的“同步”效果是不一樣的。而實際上大部分的多電機同步問題是位置同步要求，也就是電機角位移同步。當計算時分割的每個時間段以及累加的時間段，多個電機的角位移始終控制在一個偏差范圍內，這就是位置同步。這也就是說，變頻電機做同步應該選裝第二編碼器，也就是位置編碼器作同步反饋信號。例如，輸送帶同步，升降機左右同步，變頻電機與伺服電機的動作同步。

有關多電機的同步控制，以后會有文章再與大家一起專門討論。

六

變頻電機的特別性，選型編碼器須注意事項：

1.?電機功率大，啟動瞬間三相電壓不平衡較為普遍，瞬間產生偏向磁場的交流感應電流沖擊造成編碼器的信號干擾與損壞。

2.?電機大，驅動力強，啟動軸向竄動較大，編碼器軸機械沖量損傷。

3.?在PLC+變頻器+編碼器的控制方案中，編碼器信號進PLC的傳輸距離較長。

速度編碼器就是增量脈沖編碼器，一般以1024PPR的分辨率就足夠了。

速度編碼器應選用帶有反相信號的增量編碼器。由于電機啟動瞬間的三相不平衡，會在空間產生離心的感應磁場，并對編碼器有偏向的雙向交流電流耦合干擾與沖擊。單極性的直流集電極開路輸出模式，其在反向電流截止時能量堆積，難以經受住長期的雙向交流感應電流的沖擊，較容易損壞。而且信號很容易被干擾，因此變頻電機編碼器不建議選用集電極開路輸出信號的編碼器(不建議使用NPN或者PNP型)。

變頻電機編碼器建議選擇雙極性的輸出模式編碼器(A+A-B+B-Z+Z-)，對應于雙向感應電流都有對0V的輸出通道將感應沖擊能量轉走。沒有沖擊能量堆積而不太容易損壞編碼器電路。同時，編碼器的工作電壓范圍應該較寬，電源應帶有反極性保護，信號線帶有短路保護，以對應變頻電機啟動時雙向的交流耦合沖擊。

增量脈沖信號編碼器，輸出信號為5--24V的雙向的A+A-B+B-。

另外，帶有反相信號的雙極性信號在雙絞線上對于外部感應是共模的，可以在接收端用差分平衡方式消除，信號抗干擾強，也易于較遠距離的信號傳輸。編碼器信號傳輸距離參數應該選至少大于50米，這并不是實際現場也許只有幾米就不需要看此參數，而是變頻電機用的編碼器，信號傳輸時的抗干擾能力要求比伺服電機高，可查看選用的編碼器參數。

總線型以太網EtherCat信號由于有同步時間戳特征，可以進PLC也可以進電機驅動器，在做多電機同步控制的效果最佳，尤其是不同類型的電機同步控制，例如變頻電機與伺服電機的同步動作，可提高多電機同步聯動的效率。

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總結

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