编码器选择 – 第三部分：速度控制

一项全面的深入分析表明：非常精确的速度控制需要最高的编码器分辨率。编码器分辨率以所需速度精度的平方倍数增长。另外还需要一个快速的速度控制回路，并且高转动惯量也对速度稳定性有着正面的影响。

• 请记住：会影响精确和动态速度控制的不仅仅是编码器分辨率，而是整个系统的整体反应。反应时间可能受到电源和控制器的电流和电压的限制，也可能受到控制回路采样频率、转动惯量、摩擦变化及机械间隙的限制。

增量式编码器的转速评估如何工作？

在控制器中，通过计算指定时间间隔内状态变化的次数来评估转速。例如，EPOS2速度控制器的采样频率为1 kHz。因此会以每毫秒状态数 (qc/ms) 的整数为单位测量内部转速，这相当于500 cpt编码器上30 rpm的转速分辨率（每转2000 qc）。编码器分辨率越低，这个速度量化值就越高。

必须强调的是，由于采用数字化采集的方式，这里涉及到一个计量学问题。您所测量的不是系统的行为方式。电机的实际转速会采用设定值，并由于机械惰性（飞轮效应）的原因保持不变。只有测量值会在平均速度附近波动。

电机采用maxon MR编码器记录速度信号。（EPOS2 Studio数据记录器的屏幕截图。）黑线是传感器的转速读数。它以30 rpm的步长跳跃，相当于1qc/ms的分辨率。另外，这个信号展示的是30 ms的一个周期，也就是电机旋转1周的时间。代表平均速度的绿线能够更清楚地展示这种周期性。这个平均转速信号更接近电机的实际转速。但在这种情况下，它更多地是反映出编码器的缺陷。顺便说一句，在转速为2000 rpm时，平均信号的转速精度大约有3 rpm的偏差，这是一个相当不错的结果！

高速度时的速度控制

编码器的电子装置部件限制可以处理的最大脉冲频率，因此也限制编码器的最大速度。在某些情况下，这种限制源于机械系统方面的考虑，例如不平衡性和安装公差。

另外还应该考虑控制器侧编码器输入的频率限制。如果需要非常高的转速，则必须选择相应较低的编码器分辨率。

在每分钟几千转的高转速下，只有百分之几的相对速度变化相当于每分钟几十转的绝对精度，这个目标很容易实现。 

规则#4：高速度控制编码器 (> 500 rpm)

选择具有中等或少量状态以及最大额定转速足够高的编码器。在许多情况下，maxon EASY编码器都是一种完美的解决方案。这里通常不需要高精度光学编码器。经验法则：（以rpm为单位的转速）x（以cpt为单位的编码器分辨率）> 100,000 rpm cpt，这对于大多数应用来说完全足够。

低速度时的速度控制

采用状态计数类型的转速评估可在高转速时实现良好的速度控制，但在非常低的转速下却很难实现速度控制。设想在60 rpm的速度下，即每秒旋转1圈，保持5%或3rpm的精度。使用同样的500 cpt编码器和1ms控制周期时间，将永远无法获得稳定、平滑的控制速度。

为了减少绝对速度变化，就需要更高的编码器分辨率和更快的控制器。试想一下，在上述情况下使用一个5000 cpt的编码器，您会获得多10倍的反馈。但在低转速时，控制回路也应该能更快作出反应，以保持较小的绝对转速偏差。这两项需求都提高了对于编码器的要求。编码器分辨率以绝对速度稳定性的平方倍数增加：需要高4倍的编码器分辨率，才能达到允许的转速变化的一半。 

在极低的转速下，一些控制器允许采用另一种转速评估方式。它会测量两种状态之间的时间。速度反馈值会更加均匀，从而允许更严格、更动态的控制。

EPOS4控制器允许在低转速下使用另一种方法，称为转速观测器。转速观测器是控制回路中的一个元件。它可以分两步计算观测到的转速。首先，根据定义系统机械传输功能的各项参数预测速度、位置和外部转矩。然后根据新测量的转子位置校正预测值。

但是，具有高分辨率的编码器和快速控制器仍然具有很大优势。

规则#5：低速度控制编码器 (< 100 rpm)

选择具有大量或极大量状态的编码器并与快速控制器组合使用。