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緊湊、耐用并滿足SIL3安全要求
    機床、機器人和一般自動化系統的用戶對高性能及低成本的要求在不斷提高。這需要使用高動態性能、結構緊湊和能效高并有安全功能的驅動。由于不同應用的要求不盡相同，安全功能的編碼器不僅是高端機床驅動所需，也是一般應用所需。海德漢推出的第3代無內置軸承ECI/EQI1100系列37mm直徑的感應掃描的旋轉編碼器能滿足高安全應用對高動態性能和節能型伺服驅動的要求。

圖1：ECI1119/EQI1131FS–37mm直徑的感應式旋轉編碼器

新一代感應掃描技術
    海德漢最新成功開發的ASIC芯片為直徑37mm的感應式旋轉編碼器提供了安全功能。該編碼器的安全性能達到SIL2，3級PLd。如果為控制系統增加一些措施，安全性能甚至能達到SIL3，4級PLe。另一個優點是機械防松功能，它能避免軸和聯軸器的松動。

    而且，系統精度比上一代產品提高兩倍，達到±120角秒。由于這些編碼器采用對污染不敏感的感應掃描原理，因此具有較高耐用性特點。全新感應式旋轉編碼器ECI1119FS（單圈）和EQI1131FS（多圈）還兼容ECN/EQN11xxFS系列內置軸承光學掃描旋轉編碼器。該編碼器在機械和電氣方面的兼容性確保了它能為應用的控制要求提供所需可擴展性，因此能最大限度減少電機型號數量。

    與上代產品相比，特別是被顯著放寬的機械允許公差，例如允許的軸向竄動量放寬了2倍。為簡化機械安裝的檢查，編碼器生成一個代表配合尺寸的數值，伺服變頻器通過EnDat接口能讀取該值。全新感應式旋轉編碼器還有編碼器溫度和電機溫度監測功能，它分別用編碼器內的溫度傳感器和外部溫度傳感器測量溫度。旋轉編碼器處理這兩路溫度傳感器信號，而且不中斷控制環工作，后續電子電路通過EnDat2.2接口用數字方式讀取該數據。

比較光學掃描編碼器的控制質量
    下面我們以實際電機為例比較新一代感應式旋轉編碼器與上一代編碼器及光學掃描的EQN1135旋轉編碼器。為確保電機影響最小，我們選擇扭矩波動極小的電機進行測量。在電機的輸出軸處安裝高精度角度編碼器（測量精度優于±1角秒），用于評估驅動系統的精度和速度穩定性。

系統精度
    系統精度是評估能否適應特定應用要求的重要條件。圖2是三種編碼器的精度記錄。與EQI1130相比，全新EQI1131感應式旋轉編碼器的短行程測量誤差明顯減小。正如預期，光學掃描的EQN1135旋轉編碼器的精度最高。

圖2：感應式旋轉編碼器與光學掃描旋轉編碼器單圈轉動的典型精度測量值

控制環的動態性能
    控制環動態性能測試采用電機的電流、轉速和位置級聯控制方式。為保持比較好的兼容性，所有被測編碼器都用相同的控制參數設置（控制周期時間100µs，速度控制單元比例增益14001/s）。圖3顯示三種編碼器速度控制閉環的幅值頻率響應（伯德圖）。采用這三種編碼器的驅動系統的控制帶寬都達到大約600Hz。未檢測到諧振點。可實現的動態性能只取決于控制單元的參數設置。海德漢旋轉編碼器實現的大帶寬讓系統擁有了更高性能，整個系統可實現的動態性能不再受編碼器制約，只是受復雜控制路徑的制約。

圖3：速度控制閉環中感應式旋轉編碼器與光學掃描旋轉編碼器的頻率響應

    速度控制單元的高增益設置保證了電機軸的機械干擾能被很好地抑制。然而，也明顯擴大了旋轉編碼器的測量誤差。因此，對于高性能的伺服電機，決定速度穩定性的主要因素是編碼器質量而不是電機的機械質量（例如扭矩波動）。圖4顯示不同轉速時被控電機的速度穩定性。全新感應式旋轉編碼器的速度穩定性與光學掃描的旋轉編碼器相比只有微小差異。因此，全新感應式旋轉編碼器對污染不敏感的掃描方式和極好的抗振性能（定子：≤400m/s²，轉子：≤600m/s²）的特性使它成為生產型機床的理想選擇。全新感應式編碼器速度波動極小的主要原因是它的短行程位置誤差小。

圖4：采用感應式和光學掃描旋轉編碼器電機的速度穩定性

    在驅動中，分辨率不足體現在被測速度的量化誤差上。量化誤差主要發生在高頻處，這是因為速度是（量化）位移的導數。高頻誤差被速度控制環帶入到電流控制環中。電流誤差導致電機的力和扭矩變化，進而觸發機械共振頻率，還表現為誤差擴散。而且，也造成電機損耗的增加，影響能耗。因此，較高的位置分辨率是高動態性能驅動的必然選擇。

位置控制環的位置誤差
    根據應用任務，旋轉編碼器的精度及/或重復精度都關系到定位精度。名義位置附近的位置誤差是因為驅動系統存在誤差和被測對象的量化誤差（位置，速度和電流）。如果用最高可能速度接近一個位置，就需要高增益的速度控制環和位置控制環。然而，這也意味著實際值測量誤差將被帶入到控制環中。為保證在定位模式中達到最高性能，也需要用海德漢公司提供的信號質量最好的編碼器。

    編碼器信號誤差對于保持電機軸在特定位置發揮著重大作用。在數字化位置值前編碼器中不可避免存在誤差和位置分辨率不足造成量化誤差都使控制環產生實際值偏差。閉環控制通過扭矩設置使電機在所需位置附近進行微量運動以盡可能補償這些偏差。這些運動如圖5所示。正如預計，由于光學掃描編碼器的有效分辨率最高，因此表現最好。

圖5：感應式和光學掃描旋轉編碼器在位置控制模式中的位置誤差

總結和展望
    最新開發的第3代感應式多圈旋轉編碼器ExI11xx幫助用戶在一個設備中實現最高達SIL3級的功能安全系統。其機械（安裝）及電氣（EnDat2.2接口）與ExN11xx光學掃描旋轉編碼器兼容，因此事實上可應用于所有已有應用范圍。所有用戶都能受益于它的優異控制性能，例如高精度，高動態性能，高效率，堅固的設計和允許的安裝公差大。

詳細信息表

表1：旋轉編碼器對比