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變頻電機(jī)為什么增裝編碼器呢？
禹盟自動(dòng)化科技 發(fā)布時(shí)間：2019-8-7 瀏覽：1790次
變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)沒有位置環(huán)。變頻電機(jī)上的編碼器是“速度編碼器”，是為精確計(jì)算電機(jī)反電動(dòng)勢的速度反饋。電機(jī)反電動(dòng)勢與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。
由于伺服電機(jī)的普及使用，現(xiàn)在很多控制的思路都會(huì)向伺服電機(jī)比較與衡量，盡管變頻控制早于伺服控制。伺服電機(jī)的控制是位置環(huán)、速度環(huán)、力矩環(huán)的閉環(huán)控制，這在永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)原理上就有體現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電流的相位與轉(zhuǎn)子的位置同步，伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)已確定了位置環(huán)是“天然”閉環(huán)的。而在變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)是異步的，有時(shí)也稱為異步電機(jī)，即使加上電機(jī)后部編碼器的反饋，它也只有速度環(huán)，沒有在電機(jī)驅(qū)動(dòng)上的“位置環(huán)”，因此這個(gè)編碼器就是“速度編碼器”。
變頻電機(jī)編碼器作為速度編碼器，它主要的目的是作為電機(jī)轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢的計(jì)算，以達(dá)到對應(yīng)當(dāng)前電機(jī)反電動(dòng)勢的精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)控制。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，根據(jù)電磁定律，當(dāng)磁場變化時(shí)，附近的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，其方向符合法拉第定律和楞次定律，與原先加在線圈兩端的電壓正好相反。這個(gè)電壓就是反電動(dòng)勢。
以能量守恒法則：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器送出的電能=機(jī)械能（驅(qū)動(dòng)電流與反電動(dòng)勢平衡）+損耗（電機(jī)電流阻抗熱損、機(jī)械阻力、配阻箱熱損等）。
電機(jī)在啟動(dòng)加速時(shí)，必須達(dá)到驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)勢能大于反電動(dòng)勢能（矢量為正），但也不能過大，過大的電流是損耗在電機(jī)熱能和配阻箱熱能上的。速度編碼器的反饋提供給變頻器計(jì)算反電動(dòng)勢，以使驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)勢能正好大于反電動(dòng)勢能。
每臺(tái)電機(jī)有各自的特性常數(shù)，反電動(dòng)勢與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和這個(gè)特性常數(shù)成正比關(guān)系。
反電動(dòng)勢=特性常數(shù)X轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速
安裝有編碼器的變頻電機(jī)，編碼器信號(hào)反饋給變頻驅(qū)動(dòng)器，計(jì)算出當(dāng)前的電機(jī)反電動(dòng)勢，變頻驅(qū)動(dòng)器給出合理的控制電流。
當(dāng)編碼器反饋給變頻器的信號(hào)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速偏低，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)的對應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流下電機(jī)應(yīng)該達(dá)到的旋轉(zhuǎn)速度，此時(shí)稱為電機(jī)驅(qū)動(dòng)“失速”，變頻電機(jī)失速意味著反電動(dòng)勢偏低，電能都用到了熱損上去了（反電動(dòng)勢偏低，電壓分配給阻抗上），此時(shí)電機(jī)線圈電阻抗低，電流增大而電機(jī)發(fā)燙，或者變頻器電流偏大，有可能就會(huì)燒損電機(jī)或者變頻器，這時(shí)需要失速保護(hù)，而停止電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
對應(yīng)這種可能出現(xiàn)的變頻電機(jī)失速，早期常用的方法就是把電機(jī)功率和變頻器功率設(shè)計(jì)的更大，要有足夠的大，有足夠的余量對應(yīng)大電流熱損，防止燒壞電機(jī)或者變頻器器件，并且需要配備一個(gè)很大的配電阻箱，過電壓分配將瞬間啟動(dòng)時(shí)的過余能量在配電阻箱平衡。這就造成電機(jī)設(shè)計(jì)的體積大，變頻器效率低的浪費(fèi)。而且在電機(jī)驅(qū)動(dòng)加速時(shí)浪費(fèi)了很多能量在熱損上。
變頻電機(jī)增加安裝編碼器，就可以提高電機(jī)與變頻器在啟動(dòng)時(shí)的能量效率，減少電機(jī)與變頻器損壞的可能。
一個(gè)比喻，開車的司機(jī)都知道，車輛從低速啟動(dòng)時(shí)是最耗油的，如果是上坡加速更加耗油。電機(jī)驅(qū)動(dòng)也是一樣的道理，電機(jī)的能量損耗大部分是在啟動(dòng)加速時(shí)。變頻電機(jī)如果想要真正達(dá)到節(jié)能的效果，最好就要加編碼器反饋，在啟動(dòng)時(shí)精細(xì)化控制電流，減少啟動(dòng)熱損的能量浪費(fèi)，同時(shí)也保護(hù)電機(jī)與變頻器不易損壞。
因此，如果變頻電機(jī)編碼器選型與安裝得當(dāng)，由于電機(jī)與變頻器效率的提高，損害故障的減少，并且能真正體現(xiàn)變頻電機(jī)的節(jié)能效果，多安裝一個(gè)編碼器所獲得的效益是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個(gè)編碼器的價(jià)格。
矢量控制模式，編碼器反饋可提高加速度、力矩控制的執(zhí)行力。
矢量是指有方向性的控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的勢能保持對反電動(dòng)勢的勢能為正時(shí)，是加速；電機(jī)驅(qū)動(dòng)的勢能保持對反電動(dòng)勢的勢能為負(fù)時(shí)，是減速。
矢量控制是對電機(jī)的加減速執(zhí)行力效果的精細(xì)化控制，尤其是在電機(jī)啟動(dòng)低速加速，和電機(jī)減速定位停止時(shí)（低速段）的執(zhí)行力精準(zhǔn)性。
以牛頓第二定律來言：F=kma；F=力；m=質(zhì)量；k=慣性常數(shù)；a=加速度
加（減）速度對應(yīng)電機(jī)力矩，矢量控制對應(yīng)電機(jī)力矩控制的執(zhí)行力。如果要達(dá)到矢量控制的精準(zhǔn)性，需要轉(zhuǎn)子加速度的精確反饋，最好由編碼器作為加速度計(jì)算的反饋傳感器。
有部分電機(jī)用霍爾傳感器作為速度加速度反饋；也有無傳感器的方案是利用電機(jī)自身線圈采樣反電動(dòng)勢采集計(jì)算。但是，霍爾傳感器和無傳感器方案中，在低速時(shí)的反饋采集精度都很差，這就是說在電機(jī)啟動(dòng)低速時(shí)，和電機(jī)減速停止時(shí)的矢量控制沒有了精度，是粗糙的控制。
安裝有速度編碼器的傳感反饋，一般為1024PPR的脈沖反饋，精度高于霍爾傳感器，或者無傳感器的電機(jī)線圈自身反電動(dòng)勢的精度，尤其是在低速啟動(dòng)時(shí)的高效節(jié)能，和在減速停止時(shí)的定位執(zhí)行精準(zhǔn)度。
頻電機(jī)不裝編碼器也行嗎？當(dāng)然可以。不過它就沒有了低速時(shí)的速度與加速度的反饋精度，低速時(shí)驅(qū)動(dòng)器控制精度也就沒有了。而電機(jī)能耗在電機(jī)啟動(dòng)加速（低速）時(shí)最大，電機(jī)與變頻器的故障損壞在電機(jī)啟動(dòng)加速（低速時(shí)）占50%以上。
異步伺服電機(jī)的雙編碼器閉環(huán)
異步伺服控制模式需雙編碼器閉環(huán)——異步電機(jī)加減速的響應(yīng)執(zhí)行力延遲與減速機(jī)精度問題。
異步電機(jī)不同于同步電機(jī)，在異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)沒有位置閉環(huán)，是依賴速度對時(shí)間的積分得到位置。我們知道，伺服控制是指位置環(huán)、速度環(huán)、力矩環(huán)的三環(huán)閉環(huán)控制。位置環(huán)與速度環(huán)本應(yīng)該是各自獨(dú)立的，盡管有位置變化/時(shí)間=速度，而速度x時(shí)間=位置的計(jì)算，但是這樣的計(jì)算在同步電機(jī)可行，在異步電機(jī)不可行——誤差與執(zhí)行響應(yīng)延遲上的不同。因?yàn)槭钱惒娇刂�，速度反饋到�?zhí)行響應(yīng)的誤差假設(shè)控制在千分之一以內(nèi)、每秒，對于異步控制這已經(jīng)是不錯(cuò)的精度了，那么一千秒鐘的位置積分誤差累加最大就可能達(dá)到了每秒誤差的一千倍。（17分鐘）。為此，在有的異步電機(jī)控制器里，用電機(jī)上安裝的編碼器直接做位置閉環(huán)計(jì)算，而不用速度環(huán)的積分得到電機(jī)位置，但這又遇到了另一個(gè)問題實(shí)際要求的工藝端在機(jī)械傳動(dòng)末端，機(jī)械傳動(dòng)與減速機(jī)的誤差與延遲影響位置控制執(zhí)行力問題。
禹盟自動(dòng)化科技（上海）有限公司的產(chǎn)品主要有旋轉(zhuǎn)編碼器、光電編碼器、磁電編碼器、復(fù)合式編碼器、總線編碼器、絕對值編碼器、增量式編碼器、微型編碼器等。
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