探析工业以太网总线式多圈绝对值编码器

最近几年国内市场小型伺服电机发展迅猛，现有伺服电机市场更多的关注在体积小而薄，分辨率高而价格低的编码器上，对于“绝对值编码器”的理解，也是仅停留在能“停电记忆”的“绝对值”其中的一个功能上。并且我注意到，即使连海德汉在会场一起展示的总线式多圈绝对值编码器，也因为体积大而几乎无人问津。这说明运动控制市场对编码器的认知理解是有不同的角度。

我一直在做编码器应用的服务与推广、编码器的研发与制造的角度，在此次会上从另外一个角度作了30分钟的演讲。下面是本次演讲其中的一部分，由于30分钟时间有限，在大会上有些预先准备的内容拿掉了，有些没有时间展开说明，在下面也有机会可以再补充。以供运动控制的工程师们参考与讨论。

一，运动控制产品对编码器的基本要求

1，运动控制的基本目标：

高精度加工，高速响应加工，多轴同步协作的加工，有可靠性高效的加工。

2，运动控制基本目标对应的编码器基本要求是：

高精度、高速响应，准确性、高效性，可靠性、安全性。

还要便宜。

3，高分辨率？只是为了位置环和速度环的高精度和高速响应的一个手段。但是，超细分的高分辨率其实已经偏离了对精度的基本要求，依赖算法补偿已经偏离了高速响应基本要求。由于有传动减速机的掩护，大量做小型伺服电机的工程师们还不能明显看出这里面的问题。

4，停电记忆？只是为了高效，无需开机找零位的一个手段。但是如果是依赖计数器的计圈，尤其是停电后的微功耗管理下的计数圈数，仍然存在计数错误无法判断的可能性，偏离了运动控制可靠性与安全的基本要求。由于很多是小型伺服电机，这种可靠性与安全性带来的隐患还不是很突出。在风力发电这种大型设备上，已经大量换下了电子多圈编码器，这样的问题并没有引起运动控制工程师们的注意。

5，“能用就行，能用最经济的方式做出产品，或者做一件事，是展示工程师的本事。”这样的观念，在国内工控行业很突出。但是这种思维方式很不工业，很不“工程”，那是“农民与作坊式”思维，要凭一点点经验靠一点点运气。工业化的思维是需要有标准化、可流程化，可知与可控及容错性，减少甚至消灭制造过程中产品使用的不确定性，才能够可复制，保证大规模的工业化生产。我在本次大会上再次提出了运动控制创新产品18个月反馈周期的观点。

二，运动控制不可忽视的相关性

1,运动控制-伺服运动是动态的，不是静态的。

不能以静态的测试方法得到的编码器精度与分辨率，去理解伺服编码器的应用。如果是依赖于过度补偿与算法的某些编码器参数，在伺服电机动态时会怎么样？在伺服电机长期使用后，及使用中温度提升之后会怎么样？

2,运动控制，应包含电机与传动部分，应包含工艺输出端负载的变化与意外，减少不确定。

如果用直驱电机，当然就可以消除传动部分带来的困惑，但是直驱电机对输出端负载变化的敏感性，其要做到可知与可控难度更大。由于没有传动部分的掩护与杠杆作用，直驱电机输出的力矩大电流大，力矩加速度环控制难度较大，对于编码器的精度要求更高。

3,运动控制，应包含电机-传动与其他的电机-传动的位置、速度关系，减少不确定。

当多个电机在一起控制的时候，很多单个电机容易解决的问题，到了多个电机控制都要推翻重新来过，现有的同步控制器大部分是指令发出同步，反馈来至单个驱动器，还不是多电机大系统的闭环。

4，我的参考意见，是在传动轴上加装绝对值多圈编码器。

当然是要能够在传动部分加装编码器，要求是加装机械齿轮箱式的绝对值多圈编码器，后面再展开理由。

直驱电机不需要再加装编码器，但要选择高精度的伺服电机编码器，注意不只是编码器高分辨率，是编码器的高精度！编码器的高精度对于直驱电机的电流环极为重要，我在公众号介绍电梯编码器ERN1387文中已有讲解，可以回过头去看。

三，运动控制中同步控制的根本性问题

同步控制的根本，是多轴统一约定与反馈比较：

1，什么时候，各轴都能到达哪里，各轴响应度如何？

2，统一对表（时钟同步、TSN），统一对地图（零点对齐，绝对值唯一性编码）。

3，多轴同步控制不可忽视传动机械与负载可能的不同与变化。

4，由于是多轴在一起的控制，务必减少每一个轴上的不确定性。当在单轴上的不确定性是小概率事件，而在多轴同步控制时就会成为大概率事件。

四，有简单三句话建议收藏

由于前面说的“伺服是动态”的，在运动控制需要工业化思维的“可知、可控、可重复与可靠性”，那么下面三句话也许对运动控制就会很重要：

1，可以走硬件的永远比走软件算法快，并且可靠。

2，并行算法总是比串行算法快，并且可靠。走硬件解决是“并行算法”思维。

3，编码器的精度是硬件的，通过细分获得的高分辨率是“串行算法”的；全行程绝对值编码是“硬件”的“并行思维”，通过计数器累加增量的方式并记忆的是“串行思维”的。

在工业中，要做到减少不确定性，是要有准确性的高速，才是最高效，最可靠的，也就是最经济的。

五，绝对值多圈编码器的核心问题，是可靠性。

工业以太网的核心问题，是又多又快地容错性。

绝对值唯一性编码的容错性给运动控制带来的好处。

在传动输出轴上加装工业以太网绝对值多圈编码器，同步问题、高效与可靠性问题可以简单化。每一传动轴上可以获得绝对值坐标位置，无不确定性，可准确定位，无需找零，容错性效率高。绝对值坐标中与其他运动轴的相互位置关系确定，可很容易实现多轴同步、联动。

全行程绝对值编码的机械齿轮箱绝对值多圈编码器，它的核心就是可靠性，唯一性编码，在使用中首次调试对齐零位后，就不应该再有错码再有零点位置跑丢。由于装在传动后的输出工艺端，它的精度与响应直接对应加工精度与响应，它与其它轴之间的关系也很简单，大家在首次零点对齐后，各轴的绝对值坐标就是确定的，不受传动误差、传动机械磨损、加工工艺端负载的变化的不确定性的影响。各轴的位置关系仅仅与其运动控制有关，这是真实的多轴同步控制系统大闭环。

在以多轴运动控制的思考中，应尽量避免各单轴的不确定性，已经没有时间去验证编码器反馈数据是否有错，是否需要等单个哪一轴去找一下零位。在多个运动轴控制中，只要有一个轴数据出错，或者无法判断是否出错，都将带来整个系统的混乱、停机，甚至事故。因此，我一再坚持的电子多圈是以计数器计数多圈的，尤其是在停电状态下的微功耗计数圈数，其存在的不确定性。既然要用绝对值多圈编码器的功能，就不可忽视绝对值多圈编码器的核心问题，是容错性可靠性，编码原理上不可有不确定性。

工业以太网绝对值多圈编码器

工业以太网，是以互联网硬件以太网基础上实现工业多数据的传输。因互联网的高速发展，获益于满足社会需求的低成本与普惠性，其大规模化成功应用带来的好处，是多点数据连接同时在线传输的硬件成本低，技术成熟。工业以太网既要传承互联网硬件成功“普惠性技术成熟”的秘诀，又要兼顾工业数据传输的可靠性要求，对于机器类数据不确定性错误的识别与容错，纠错。

• Profinet，PI协会及德国西门子主导的工业以太网，实时工业以太网， RT（实时）通讯协定是针对PROFINETCBA及PROFINET IO的应用，其反应时间小于10ms。IRT（等时实时）通讯协定是针对驱动系统的PROFINETIO通讯，其反应时间小于1ms。在运动控制应用中，周期小于32us

• Ethercat，ETG协会及德国倍福主导的工业以太网，基于以太网物理基础的分布式总线技术，周期时间短，优于32us。提供分散式时钟机制，同步时钟找回。

• 以太网更快，可连接更多设备，传输更大的数据量。

• 工业以太网的发展，既是工业自动化需要，又是向工业互联网的发展趋势。

六，工业以太网绝对值多圈编码器，在多运动轴同步控制中突出的优势

在传动轴上加装工业以太网绝对值多圈编码器，在同步控制中带来了明显的优势：

1，每一个运动轴，在调试初始化零点对齐后，绝对值坐标不再改变，是几乎永久性可确定的，每个轴与其他轴的位置关系，在绝对值坐标上是几乎永久性可确定的。

2，用工业以太网将所有传动轴上的绝对值编码器高速联网，时钟同步找回时间同步点，所有外挂的绝对值多圈编码器可视在同一个“同时”对齐的绝对值位置坐标上。

3，以此绝对值位置坐标，虚拟一个移动轴，所有运动轴与此虚拟移动轴跟随，同步跟随。这是并行算法思维。

4，调试中找到响应度最慢的那个轴，虚拟轴以照顾那个最慢的轴，或者称为“主轴”，其他所有运动轴与虚拟运动轴跟随同步，相当于跟随“主轴”同步。

5，由于以太网的快速及同步时钟的找回，所有运动轴的同步计算相当于是并行的，与传动误差与磨损无关，与负载不同负载变化无关，不确定性最小。运动同步控制算法简单，项目成功性高。

6，调试时有绝对值位置坐标可做参考，可做记录，调试成功后不再改变。调试人工低，不需要返回再调试的人工低，可靠性安全性高。减少了不确定性，最终是大大节省项目成本与用户使用成本的。

运动控制的多轴同步控制，如果机械上有条件，就在传动轴上加装工业以太网绝对值多圈编码器（必须是机械齿轮箱式的，不然就显得多此一举了），犹如你打游戏过关时加了“外挂”了 ，多开了一个“天眼”，将前面要做的事看得清清楚楚，轻松过关。

这就叫“升维思考，降维打击”。游戏术语

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传动轴上加装编码器的选择，注意问清楚必须是机械齿轮箱式绝对值多圈编码器，这是我们的用户提到的，在国产宝马汽车生产线上与德国工程师合作，德国工程师特意关照的要求。没有电池，没有韦根。