演示裝置的剖面圖顯示不同角度編碼器的位置。
為什么市場上有如此多的不同角度編碼器？為什么使用不同的掃描和測量方式？設(shè)計工程師應(yīng)選擇哪一種解決方案？海德漢的演示裝置通過選用四種不同角度編碼器，明確地回答這些問題。
演示裝置十分簡單：四個不同的角度編碼器安裝在ETEL的TMB+力矩電機上：
a.海德漢RCN 8311絕對式角度編碼器是一款典型的封閉式角度編碼器，用于精密機床的回轉(zhuǎn)工作臺和擺動銑頭
b.海德漢ECA 4410絕對式角度編碼器是一款典型的鋼鼓模塊型角度編碼器，用于精密機床的大直徑軸回轉(zhuǎn)工作臺和擺動銑頭。
c.海德漢ECM 2410絕對式磁柵編碼器是一款耐污性能優(yōu)異的模塊型角度編碼器
d.AMO的WMxA 1010編碼器是一款典型的鋼帶版絕對式感應(yīng)編碼器，用于對緊湊型、抗污性能要求高并需要靈活安裝的應(yīng)用。
演示裝置采用海德漢TNC 640數(shù)控系統(tǒng)，仿真各角度編碼器的定位運動，分析信號質(zhì)量對動態(tài)性能的影響和測量原理對精度的影響。演示裝置還能顯示智能地使用整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)提高工藝可靠性的潛力，整個系統(tǒng)包括電機、角度編碼器和傳感器連接盒。
信號質(zhì)量：決定表面質(zhì)量的重要因素
在直驅(qū)電機中，編碼器的信號質(zhì)量直接關(guān)系到電流噪音的大小，因此顯著影響動態(tài)性能潛力和增加電機的功率損失。噪音是細(xì)分誤差的負(fù)效應(yīng)，影響運動軸的動態(tài)性能潛力。細(xì)分誤差導(dǎo)致位置值快速變化和速度計算誤差。反過來又進一步加大電流噪音。為避免驅(qū)動系統(tǒng)不穩(wěn)定，只能減小控制環(huán)增益，降低動態(tài)性能，才能抵消噪音的加大。
噪音還影響電機的溫度特性。噪音低可降低功率損失，進而降低電機溫度，相反，噪音大，增加電機功率消耗，因此顯著增加電機溫度。
電機的溫度特性：左圖為溫度分布圖，由該圖可見位置控制環(huán)采用光學(xué)掃描角度編碼器時的電機溫度較低。非光學(xué)掃描的角度編碼器導(dǎo)致溫度較高，如右圖所示。
在比較不同編碼器中，明顯可見溫度特性的不同。光學(xué)編碼器噪音小且保持穩(wěn)定，而磁柵和感應(yīng)式編碼器的噪音較大，非均勻噪音較大，使用低通濾波器后噪音也依然較大。因此，光學(xué)編碼器是電機達到高性能和達到高表面質(zhì)量的理想選擇。
演示裝置中不同角度編碼器的噪音比較。
實際位置與理論位置
根據(jù)ISO 230-2標(biāo)準(zhǔn)，測量回轉(zhuǎn)工作臺的定位精度，以此評估回轉(zhuǎn)工作臺實際位置與理論位置間的相符程度。為此，將回轉(zhuǎn)工作臺進行五次順時針和五次逆時針回轉(zhuǎn)，每圈測量十二個點，相鄰測量點間相距30°。
評估編碼器的主要指標(biāo)是參數(shù)A，即定位運動的雙向精度，參數(shù)M，也即平均雙向定位偏差的范圍。參數(shù)A相當(dāng)于角度編碼器的系統(tǒng)精度和參數(shù)M相當(dāng)于分度精度，這兩個參數(shù)都考慮應(yīng)用誤差。
雙向定位精度和平均雙向定位偏差范圍：RCN和ECA光學(xué)角度編碼器的實際位置與理想位置之間的偏差明顯小于磁柵（ECM）和感應(yīng)式（WMxA）角度編碼器的偏差。
要在指定的最高運動速度下評估可達到的輪廓精度，海德漢的精度指標(biāo)不僅包括ISO 230-2標(biāo)準(zhǔn)要求，還包括動態(tài)定位精度（由字母D表示）。根據(jù)ISO 230-2標(biāo)準(zhǔn)，回轉(zhuǎn)工作臺順時針旋轉(zhuǎn)五圈，逆時針旋轉(zhuǎn)五圈，再次進行測量。但是這次，用5 kHz的連續(xù)掃描頻率和20 rpm的旋轉(zhuǎn)速度進行測量。
用可達到的輪廓精度測量動態(tài)位置精度，從中可見WMxA感應(yīng)式角度編碼器的偏差較大。這種偏差的原因在于感應(yīng)掃描方式導(dǎo)致精度隨轉(zhuǎn)速而變化。相反，RCN和ECA光學(xué)編碼器與其完全不同，在理論位置與實際位置之間幾乎沒有偏差。ECM磁柵編碼器沒有嚴(yán)重偏差，性能居中。
動態(tài)定位精度是可達到的輪廓精度參數(shù)之一，感應(yīng)式角度編碼器的偏差較大。
偏差較大的原因在于感應(yīng)掃描方式本身，其精度與轉(zhuǎn)速相關(guān)，順時針與逆時針測量之間存在嚴(yán)重跳躍。
智能電機保護，提高加工過程可靠性
力矩電機，例如演示裝置中使用的ETEL電機，不僅結(jié)構(gòu)緊湊而且性能卓越。但是，在部分加工條件下，如果繞組中的電流不對稱分布，溫度可能過高，導(dǎo)致一組繞組的溫度突然升高。將位于應(yīng)用附近的溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)數(shù)字化，并將溫度數(shù)據(jù)提供給數(shù)控系統(tǒng)，智能地保護電機，提高過程可靠性。特別是溫度信息可用性的改善有效提高加工過程可靠性和工作效率。
海德漢EIB 5200傳感器連接盒監(jiān)測電機的全部三組繞組，提供溫度數(shù)據(jù)并使其立即使用。連接盒位于電機附近，處在角度編碼器與機床數(shù)控系統(tǒng)之間。如果已經(jīng)確定和保存了電機的溫度模型，例如ETEL力矩電機，這款傳感器連接盒可以快速發(fā)現(xiàn)溫度的突然上升，因此能避免電機繞組損壞和保護電機，避免過熱。
在加工過程中，海德漢EIB 5200傳感器連接盒智能地保護電機。電纜連接簡潔和電機系統(tǒng)的附加數(shù)據(jù)立即可用。
選擇正確的編碼器和智能地使用在加工過程中可用的不同數(shù)據(jù)關(guān)系到加工過程的可靠性、穩(wěn)定性和精度。確定不同型號編碼器所特有的工作特性能幫助設(shè)計工程師和開發(fā)人員選擇正確的角度編碼器，滿足應(yīng)用要求。最后，選擇正確編碼器不僅關(guān)系到動態(tài)性能和精度，設(shè)計工程師和開發(fā)人員也必須考慮相關(guān)因素，例如轉(zhuǎn)軸直徑和安裝方式，當(dāng)然也必須考慮經(jīng)濟性。
