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本文介紹了伺服控制的三個(gè)零點(diǎn)位置，以及對(duì)應(yīng)單圈絕對(duì)值編碼器和多圈絕對(duì)值編碼的不同意義。

一般來(lái)說(shuō)，伺服控制有三個(gè)零點(diǎn)，對(duì)應(yīng)以下三種絕對(duì)值編碼器使用場(chǎng)景。

1、伺服電機(jī)UVW線圈的零點(diǎn)-電機(jī)電流環(huán)

這個(gè)零點(diǎn)位置是提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流相位用的，用單圈絕對(duì)值編碼器。這個(gè)零點(diǎn)不能偏，更不能丟，如果偏了，電機(jī)電流就會(huì)增大，電機(jī)會(huì)發(fā)燙；如果這個(gè)零點(diǎn)丟了，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流相位出現(xiàn)錯(cuò)誤，電機(jī)會(huì)擰甚至不會(huì)轉(zhuǎn)；如果線圈反電動(dòng)勢(shì)阻抗失去了，電機(jī)就會(huì)燒壞。

這個(gè)零點(diǎn)由伺服編碼器的UVW信號(hào)提供（相位120度的部分絕對(duì)值的），或者由單圈絕對(duì)值編碼器提供，例如正余弦信號(hào)編碼器的CD信號(hào)。

在伺服編碼器的使用中，單圈絕對(duì)值編碼器的原始目的，是負(fù)責(zé)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流相位的準(zhǔn)確輸出，用于伺服電流環(huán)。單圈絕對(duì)值編碼器只有一個(gè)零點(diǎn)，循環(huán)碼可以編碼器安裝后任意位置作為零點(diǎn)位置，利用循環(huán)碼的特點(diǎn)，360度數(shù)字坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)與電機(jī)線圈的零點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)，并把循環(huán)轉(zhuǎn)偏值量永久保存在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。因此，伺服電機(jī)的編碼器更換較為復(fù)雜，需要換下來(lái)的編碼器零點(diǎn)位置與換上去的位置一致，或者重新尋找到電機(jī)零點(diǎn)位置，令編碼器的零點(diǎn)重新數(shù)字循環(huán)轉(zhuǎn)坐標(biāo)偏值與電機(jī)零點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)。

2、伺服系統(tǒng)定位控制的零點(diǎn)-用于伺服終端位置環(huán)

除了直驅(qū)伺服類別以外，絕大部分的伺服系統(tǒng)還是要依靠機(jī)械減速機(jī)等傳動(dòng)裝置，來(lái)控制機(jī)械工藝終端的定位控制，這個(gè)如果是要用絕對(duì)值編碼器，就必須要用到多圈絕對(duì)值編碼器，因?yàn)闇y(cè)量行程是多圈旋轉(zhuǎn)的。

這個(gè)零點(diǎn)位置不能偏，也不能丟。偏了，加工精度就沒(méi)了；丟了，加工就會(huì)出現(xiàn)次品，還有可能損壞機(jī)械，或有可能會(huì)發(fā)生撞車(chē)、沖頂?shù)氖鹿剩绊懙疆a(chǎn)品的可靠性和一致性。

有一種用法，就是伺服電機(jī)上的編碼器選擇用絕對(duì)值多圈編碼器，這樣，中間是隔著一層機(jī)械減速機(jī)傳動(dòng)的。這類伺服定位控制系統(tǒng)的零點(diǎn)位置，并不是在伺服電機(jī)上，而是在機(jī)械運(yùn)動(dòng)終端，全量程下的確定一個(gè)零點(diǎn)位置，有時(shí)也稱為參考位。然后與伺服電機(jī)上的絕對(duì)值多圈編碼器零點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)。“真”絕對(duì)值編碼的零點(diǎn)位置是唯一的，按循環(huán)碼方式，不依賴于計(jì)數(shù)器。可以用數(shù)字循環(huán)坐標(biāo)偏值，將偏值量永久保存在定位控制器中。需要注意的是定位控制器，因?yàn)檫@個(gè)零點(diǎn)是給定位控制用的，是根據(jù)程序在首次安裝時(shí)自動(dòng)完成，以后就不應(yīng)該再發(fā)生變化，除非機(jī)械系統(tǒng)某個(gè)連接的位置動(dòng)過(guò)了。

電機(jī)上的伺服編碼器雖然也可以“多圈”工作，但是與終端機(jī)械位置隔了一套減速機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，從自動(dòng)化控制閉環(huán)的嚴(yán)格意義上說(shuō)，這樣的伺服編碼器只能稱為半閉環(huán)式。

如果按自動(dòng)化控制閉環(huán)而言，機(jī)械終端是直線運(yùn)動(dòng)，就要再配置直線傳感器，例如直線光柵尺；如果是需要絕對(duì)值編碼器，就需要配置直線絕對(duì)值光柵尺，這才是自動(dòng)化控制的全閉環(huán)方式。但是，直線絕對(duì)值光柵尺由于加工長(zhǎng)度需要定制化，加上產(chǎn)品成本、使用易損壞程度等因素，造成這種使用方式只能應(yīng)用在高端機(jī)床上。

一種折中的方法，是在機(jī)械終端可能的機(jī)械旋轉(zhuǎn)位置加裝第二位置的絕對(duì)值編碼器，如果是多圈工作的，就要加裝機(jī)械多圈絕對(duì)值編碼器。這一種方法，一方面減少了機(jī)械減速機(jī)齒輪間隙誤差的進(jìn)入控制系統(tǒng)，另一方面也減少了減速機(jī)齒輪間隙行走彈性的時(shí)間延遲、減速機(jī)齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)后發(fā)燙帶來(lái)磨損的位置誤差，以及對(duì)機(jī)械傳動(dòng)損壞、松動(dòng)所帶來(lái)的不可靠性進(jìn)行監(jiān)測(cè)的工作量，大大提高了伺服定位控制系統(tǒng)的可靠性，因而贏得用戶的信賴。

例如下圖，是醫(yī)療核磁共振移動(dòng)床的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)例，松下伺服電機(jī)上本來(lái)就已有單圈絕對(duì)值編碼器，由于只是單圈絕對(duì)值編碼器，多圈是依賴于計(jì)數(shù)器與寄存的，在核磁共振設(shè)備強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾下，計(jì)數(shù)器被干擾而可能發(fā)生零點(diǎn)位置丟失。機(jī)械終端移動(dòng)絲桿連軸安裝了第二位置的絕對(duì)值多圈編碼器，由于是機(jī)械式絕對(duì)值編碼的，對(duì)于干擾不會(huì)改動(dòng)機(jī)械位置編碼，因此不再發(fā)生零點(diǎn)位置丟失，這臺(tái)國(guó)產(chǎn)化的核磁共振新產(chǎn)品因此贏得用戶的選用。

3、多軸系統(tǒng)的基準(zhǔn)零點(diǎn)

目前，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展已從單軸運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展到3坐標(biāo)、甚至幾十軸、上百軸的控制系統(tǒng)，每個(gè)軸相互關(guān)系的零點(diǎn)基準(zhǔn)位置，需要在安裝調(diào)試時(shí)對(duì)準(zhǔn)、統(tǒng)一，并且能在以后長(zhǎng)期工作中任何一個(gè)軸的位置都不能發(fā)生零點(diǎn)位置的丟失，這就需要用到“真”多圈絕對(duì)值編碼器，并且由于軸數(shù)多，需要用到工業(yè)總線或者工業(yè)以太網(wǎng)型絕對(duì)值多圈編碼器。這個(gè)基準(zhǔn)零點(diǎn)不能丟，如果丟了，多軸系統(tǒng)就亂套了。

例如，某廠商在宣傳產(chǎn)品時(shí)表示，工業(yè)以太網(wǎng)單臺(tái)12xxPLC可以連接幾十甚至上百個(gè)軸的工業(yè)以太網(wǎng)運(yùn)動(dòng)控制器，這確實(shí)是很不錯(cuò)的一個(gè)多軸控制設(shè)計(jì)方案。但是，是否每一個(gè)軸都要配上一個(gè)“回歸參考位”復(fù)位開(kāi)關(guān)？如果這樣的話，就需要上百個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)，那么每一次開(kāi)機(jī)時(shí)都需要參考點(diǎn)歸零一次嗎？

按照控制真實(shí)閉環(huán)的要求，這些復(fù)位開(kāi)關(guān)必須把信號(hào)反饋給系統(tǒng)控制的PLC，這是要用工業(yè)以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)嗎？還是PLC需要100個(gè)傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)點(diǎn)輸入？如果上百個(gè)軸里有一個(gè)軸的零點(diǎn)位置出現(xiàn)丟失這種常見(jiàn)的問(wèn)題，又應(yīng)該如何去發(fā)現(xiàn)是哪一個(gè)軸丟掉了零點(diǎn)位置呢？即使每個(gè)軸的零點(diǎn)位置丟失的出錯(cuò)概率很低，就算萬(wàn)一吧，那上百個(gè)軸每年要演出多少次百里挑一的找出哪個(gè)軸零點(diǎn)位置丟失了呢？客戶的效率時(shí)間損失、客戶產(chǎn)生次品的損失、調(diào)試時(shí)間的損失、檢查維護(hù)的時(shí)間損失等等，將隨著多軸軸數(shù)的增加，幾率一下子大起來(lái)，用戶對(duì)新產(chǎn)品可靠性的疑慮增加，又如何能信任這一新技術(shù)？

降低成本與可靠性有時(shí)是一對(duì)矛盾。當(dāng)用戶對(duì)新產(chǎn)品的疑慮，與用戶可能帶來(lái)的意外損失相比，可靠性加持是能夠幫助用戶減少損失的，可以增加用戶對(duì)創(chuàng)新產(chǎn)品的信任，這是為用戶成本思考。在這種情況下，在機(jī)械終端使用機(jī)械多圈真絕對(duì)值編碼器，可以保持機(jī)械位置，不會(huì)發(fā)生零點(diǎn)位置丟失。這個(gè)“絕對(duì)值編碼器”不會(huì)丟零點(diǎn)位置的“絕對(duì)值”的意義就凸現(xiàn)出來(lái)了。

下面，再來(lái)看看傳感器零點(diǎn)位置的可靠性，對(duì)于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性，有多么重要！

絕對(duì)值編碼器的零點(diǎn)位置，已經(jīng)預(yù)先的機(jī)械的存在。在安裝時(shí)，絕對(duì)值編碼器的機(jī)械的零點(diǎn)與定位控制的機(jī)械零點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，在編碼器信號(hào)解碼到位置的過(guò)程中，計(jì)算時(shí)加入了絕對(duì)值編碼器內(nèi)部機(jī)械零點(diǎn)與設(shè)備機(jī)械零點(diǎn)的相互差補(bǔ)正，非失性保存這個(gè)補(bǔ)正值，因此今后就不會(huì)再發(fā)生零點(diǎn)位置的丟失，除非這個(gè)絕對(duì)值編碼器壞了，或者發(fā)生連接失效了（機(jī)械松動(dòng)或機(jī)械拆裝）。

機(jī)械式真絕對(duì)值多圈編碼器，只能是壞了（例如機(jī)械壞了、電子燒了等），決不能是錯(cuò)了、零點(diǎn)位置丟了，這就是用“絕對(duì)值”的意義。

增量編碼器的零點(diǎn)——Z相，Z就是零點(diǎn)ZERO的意思。但是Z相在編碼器內(nèi)每圈只有一個(gè)。單圈絕對(duì)值編碼器的零點(diǎn)，在360度內(nèi)只有一個(gè)。多圈絕對(duì)值編碼器，在多圈絕對(duì)值測(cè)量全程中，零點(diǎn)位置只有一個(gè)。

但是，各種假絕對(duì)值的編碼器，虛擬的“絕對(duì)值”編碼器，零點(diǎn)位置就不止一個(gè)！

用單圈絕對(duì)值編碼器經(jīng)過(guò)過(guò)圈計(jì)數(shù)的方法，單圈絕對(duì)值編碼器的唯一零點(diǎn)被來(lái)回使用無(wú)數(shù)次，就不再是唯一性編碼了。它的使用就需要在無(wú)數(shù)次的零點(diǎn)找一個(gè)出來(lái)與外部的機(jī)械位置對(duì)上，并增量編碼的方式加上圈數(shù)，并設(shè)法保存，在斷電時(shí)仍然需要工作。例如，通過(guò)內(nèi)部的電池或者韋根微能量收集器存儲(chǔ)的能量，繼續(xù)在停電狀況下的繼續(xù)工作，記錄這個(gè)編碼器的多零點(diǎn)變化的計(jì)圈識(shí)別。

但是，這里存在幾個(gè)問(wèn)題，例如，在停電狀態(tài)下、或者電機(jī)突然斷電狀態(tài)下、電源系統(tǒng)不干凈、不穩(wěn)定的情況下，電池和韋根編碼器是在停電狀態(tài)下（或者電源不穩(wěn)定狀態(tài)下）利用極微弱的自存能量工作的計(jì)數(shù)圈數(shù)與寄存，這種極微弱信號(hào)采集的對(duì)外抗干擾能力很差，是否會(huì)存在計(jì)數(shù)被干擾而錯(cuò)過(guò)了單圈零點(diǎn)計(jì)數(shù)的情況？在這種出錯(cuò)的可能性下，錯(cuò)誤如何能夠被發(fā)現(xiàn)？如何避免定位控制器無(wú)法知道這個(gè)錯(cuò)誤，而導(dǎo)致后面自動(dòng)化控制的錯(cuò)誤——導(dǎo)致生產(chǎn)次品的發(fā)生，甚至機(jī)械損壞與事故發(fā)生的隱患呢？

關(guān)于韋根編碼器

韋根編碼器作為一種無(wú)電池的新技術(shù)，可以替換原來(lái)的電池編碼器的方案，在用戶有了充分了解后可以有選擇地自主選用，但是，在某些韋根編碼器的宣傳推廣過(guò)程中卻混淆了“絕對(duì)值”的概念。

實(shí)際上，韋根編碼器是一種利用韋根微發(fā)電的能量收集技術(shù)，代替了原來(lái)的電池式編碼器。它是單圈絕對(duì)值的，多圈依賴于韋根信號(hào)與韋根微能量收集，對(duì)于圈數(shù)的增加和減少進(jìn)行計(jì)數(shù)，并保存。這里有幾個(gè)問(wèn)題，值得大家思考：

問(wèn)題1這種圈數(shù)是依賴增加與減少的算法與寄存的方式，只是因?yàn)椤盁o(wú)電池”，就是“絕對(duì)值編碼”嗎？

問(wèn)題2這種圈數(shù)的增加與減少的計(jì)數(shù)器與寄存，是否存在過(guò)圈數(shù)計(jì)數(shù)器（算法）受干擾，而會(huì)出錯(cuò)的可能性？尤其是在斷電后韋根存儲(chǔ)的微弱能量下的必須繼續(xù)的在低功耗計(jì)數(shù)器工作下，是否會(huì)受到干擾？

問(wèn)題3如果因?yàn)轫f根編碼器從沒(méi)有承認(rèn)會(huì)有出錯(cuò)概率，如果這種出錯(cuò)概率一旦發(fā)生，韋根編碼器將如何發(fā)現(xiàn)這一錯(cuò)誤，而不會(huì)影響到后面的控制也跟著出錯(cuò)呢？

問(wèn)題4目前很多韋根編碼器以打擊電池編碼器作為宣傳手段，又以真絕對(duì)值編碼的無(wú)差別混淆“絕對(duì)值”概念的宣傳方式是否合適？

關(guān)于多圈計(jì)數(shù)器

就好比時(shí)鐘，只有一個(gè)分針，沒(méi)有時(shí)針，幾小時(shí)幾分鐘的那個(gè)幾小時(shí)，需要始終去判斷，哪怕停電后。而在計(jì)數(shù)判斷的過(guò)程中是不能有干擾的，因?yàn)樵谕ｋ姇r(shí)無(wú)法再回頭重新數(shù)一遍。當(dāng)然也有高手說(shuō)，分針只要不超過(guò)半圈，一樣可以用。

而機(jī)械式多圈絕對(duì)值編碼器，就是有齒輪式的時(shí)針和分針，可以多過(guò)12個(gè)小時(shí)。

于是瑞士機(jī)械手表有日相晝夜機(jī)械，還有月相機(jī)械，甚至還有年相的萬(wàn)年歷機(jī)械手表，這就是機(jī)械手表的價(jià)值。12個(gè)小時(shí)的時(shí)針?lè)轴樀臋C(jī)械手表，還可以利用白天黑夜的邏輯判斷，再附加一位，獲得24小時(shí)。那些，“假”絕對(duì)值的只有一個(gè)小時(shí)，以后就靠數(shù)數(shù)字了，數(shù)數(shù)字一旦數(shù)錯(cuò)了也有可能不知道。

對(duì)于多軸伺服控制系統(tǒng)，至少需要有一個(gè)軸在機(jī)械終端安裝機(jī)械式絕對(duì)值多圈編碼器，作為零點(diǎn)不會(huì)丟失的基準(zhǔn)點(diǎn)，這樣也可以視為“北斗星”，即一個(gè)多軸系統(tǒng)里的“北斗”，在安裝調(diào)試和檢查維護(hù)中，首先是要找到這個(gè)基準(zhǔn)零點(diǎn)位置，才能方便調(diào)試其他軸與這個(gè)基準(zhǔn)的相互位置關(guān)系。不然，如果在系統(tǒng)中發(fā)生零點(diǎn)位置丟失的可能性，沒(méi)有基準(zhǔn)點(diǎn)，也就找不到“北”了。這就好像國(guó)慶閱兵方陣中的排頭兵，第一排的走方隊(duì)士兵，是用眼睛的側(cè)光看這個(gè)排頭兵的，而后排的士兵是看前排的，如果這個(gè)排頭兵步子走不好，那方隊(duì)就亂了。

在多軸控制系統(tǒng)中，至少要在一個(gè)軸的機(jī)械終端加裝一個(gè)機(jī)械式絕對(duì)值多圈編碼器，這樣就增加了系統(tǒng)定位的可靠性和調(diào)試時(shí)的方便性。這樣一種設(shè)計(jì)方案，也可以為新產(chǎn)品帶來(lái)更高的可靠性。機(jī)械式絕對(duì)值多圈編碼器提升了多軸控制系統(tǒng)的可靠性，縮減了調(diào)試時(shí)間，也提升了設(shè)計(jì)方案的技