深入了解当前可用于微调伺服电机性能的反馈装置，以及如何为运动控制应用场景选择合适的类型非常重要。
伺服电机驱动的运动控制系统需同时满足高速响应与精确定位要求，而合理的选型可确保系统实现这些性能。 然而在实际情况中，有多种干扰因素可能导致电机偏离目标。
伺服系统的精度取决于能够精确报告电机位置的反馈装置。 此外，电机至负载的机械传动机制若存在缺陷，也可能在系统中引入速度或位置误差。 电气噪声或温度等环境因素同样可能引发定位误差。
某些情况下这些误差可以接受。 但大多数情况下，误差不可接受。 伺服电机和驱动器选型配置必须满足全部定位系统中高等级的可靠性与精度要求。
反馈装置的选型对于实现预期效果至关重要。 反馈装置可分为多个类别，每种类别在电气和机械方面均存在独特的优势与不足，这将直接影响特定反馈技术对具体应用场景的适配性。 下文从技术层面阐述重要的选型标准。
反馈装置的位置
反馈装置的理想安装位置应位于负载处，此处能直接反映运动控制需求。 该安装位置可有效减少将电机的运动传递给负载的传动部件（如齿轮箱、皮带与皮带轮、滚珠螺杆等）带来的误差。 虽然反馈装置通常内置于电机中，但在负载处增设反馈装置可显著提升传动驱动系统的精度。
无刷电机需要将位置反馈装置集成于电机内部，以便为电子换向提供实时转子位置数据（后文详述）。 当采用电机内置反馈装置时，必须评估传动系统与反馈装置相关的周期性及累积性误差，以确定误差是否在允许范围内。
直驱伺服电机的优势在于其内置反馈装置实质上与负载直接连接，从而消除了传动柔性和齿隙问题。 除上述优势外，直驱电机的部件数量少，维护需求低，特别适用于对运动控制精度和控制带宽要求严苛的场景。
换向器
换向是指通过控制电流产生转矩的过程。 在永磁电机中，当绕组的磁场与磁体的磁场相互作用时即会产生转矩。 当电流精确激励相应的绕组时，可产生最佳转矩。
电机运转时，绕组相对于磁体的位置会发生变化。 这意味着根据电机位置的不同，电流的最佳激励路径会相应改变。
在有刷电机中，电流路径通过电刷和连接电枢绕组的换向器实现自动切换。 在无刷电机中，转子位置信息反馈至驱动器，驱动器通过晶体管实现绕组电流的电子换相控制。
单圈或多圈反馈
单圈反馈传感器可跟踪转子每 360° 机械旋转周期内的位置。 其典型应用场景为传送带速度控制。在这种场景中，可通过根据一段时间内的滚筒位置变化推导速度值，而无需记录滚筒旋转圈数。 但对于需要电机轴多圈旋转来驱动负载移动指定距离，且对位移精度控制有严格要求的应用场景，单圈装置并不适用。
针对此类应用，需要采用多圈反馈传感器，它不仅能跟踪 360º 旋转范围内的位置变化，还能记录完整的旋转圈数。 多圈反馈装置的计数能力通常为 4,069 圈（12 位或 2^12）到 65,536 圈（16 位或 2^16）不等。 多圈反馈可通过两种方案实现：带独立读数的齿轮系统，或采用更为紧凑且通常能提供更高圈数计数的电子计数器。
绝对或增量反馈
反馈传感器可分为绝对位置型或增量相对位置型。 单圈绝对位置传感器能够在电机通电后的一个机械周期内精确报告位置。 相对而言，增量位置传感器仅输出每个运动增量的脉冲信号，无法提供装置运动范围内的特定位置参考。
通过将增量脉冲与周期标志脉冲、机械原点开关及计数器协同工作，即可获知负载的位置信息。 然而，当反馈电路意外断电时，系统将丢失当前位置。 对于某些使用增量式编码器的位置关键型应用场景，可让控制器连接不间断电源以持续存储位置信息。
另一种方案是采用多圈绝对编码器，其能在多圈旋转范围内提供精确的位置信息，无需持续供电。 这可通过电池备用系统或利用能量采集技术实现，即便在断电且手动转动转子时，非易失性存储器仍能可靠保持位置计数。
精度与可靠性
另一重要考量因素是装置所采用的技术类型。 部分传感器极其坚固耐用，专门针对工业机械控制行业设计。 另一些则相对脆弱，适用于高精度实验室设备等应用场景。 此外，还存在需求重叠的应用案例 — 例如半导体制造，此类场景需在超洁净环境中实现高精度，同时还要具备快速的吞吐量，以满足较高的生产排程需求。
运动系统几何结构
运动系统可分为线性、旋转或复合型。 反馈传感器则需根据各种系统的特点进行专项设计。 这类传感器可能具备不同的安装特性和运动方向，但反馈装置的基本工作原理通常适用于任何一种配置。
对于 X-Y-Z 轴定位等线性系统，位置数据可同步指示所有轴的精确位置，这在某些应用场景中至关重要。 例如，在急停（紧急停止）情况下，能够在停止点重新启动运动部件，可有效防止机械卡滞并减少浪费。
速度信息通常通过计算与时间有关的导数获取，因此仅需一台反馈装置即可满足大多数伺服系统的需求。 但对于需要低速精确速度信息的应用场景，有时选择专用速度反馈装置（如精密模拟转速计）会更好。
好消息：反馈装置选型其实没那么难
反馈装置在闭环控制系统中发挥关键作用。 过去，挑选一款合适的反馈设备是一项艰巨的任务，现在简单多了！
目前的许多运动控制制造商均可提供成套运动控制系统，他们将电机、反馈装置、驱动器及线缆集成在一套优化的方案中。 该方案能满足当前 90% 以上运动场景的需求。 对机械工程师而言，该方案的优势在于无需在伺服系统中单独布线或安装反馈装置，而传统方案需处理 4 根，甚至 9 或 13 根连接线缆。
此外，科尔摩根等制造商在电机中集成了“智能”反馈装置，通过电子铭牌将电机参数自动提供给驱动器，实现即插即用操作。 这些参数可用于快速配置驱动器，数秒内完成反馈配置。 智能反馈装置可在标准反馈类型的基础上，集成一枚包含电机参数的嵌入式芯片。
为您的应用场景选择合适反馈装置，应了解哪些信息？ 首先需明确定位精度与分辨率需求。 此外，电机与驱动器的间距、电气噪声或温度等环境因素也可能影响合适装置的选型决策。
当前市场提供的反馈传感器可满足几乎所有反馈需求，包括霍尔效应传感器、旋转变压器、通用编码器（多种规格）和正弦编码器。 值得一提的是，许多伺服电机供应商为特定电机提供多种反馈选项，全面覆盖各种性能或环境需求。
霍尔效应传感器是其中简单、经济的一款反馈装置。 这类数字开关装置可检测是否存在磁场。 采用半导体材料制造的霍尔传感器坚固耐用，支持相当于数万转/分钟的高频工作，并能实现精确换向时序控制。 由于其提供的位置信息不够精确，此类装置更适用于梯形（六步）控制而非正弦控制。 霍尔效应传感器适用于转矩控制或粗略的速度控制。这种传感器通过直接切换电机相位功率器件的开关简化驱动电子系统。
旋转变压器是适用于严苛环境（如存在极端温度、振动或冲击等不利因素的环境）的旋转式变压器。 其可处理超过 10,000 rpm 的电机转速。 此类装置的成本处于行业中低水平，其精度与分辨率为行业中等水平，可满足大多数工业场景需求。
增量编码器具有多种配置，包括非接触式光学型和接触式以及线性和旋转式，并提供多种分辨率规格。 此类编码器具备出色的精度，可支持高达数万转/分钟的转速。 尽管现代增量编码器坚固性显著提升，但某些型号仍不适用于极端恶劣环境。
正弦编码器具备非常优异的性能。 虽然成本高于旋转变压器或增量编码器，但其适合对精度与分辨率均有很高要求的应用场景。
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请务必阅读我们关于反馈装置的全部三篇博客文章《霍尔效应传感器与旋转变压器》及《线性、旋转与正弦编码器》，掌握这一关键运动技术主题。 欢迎随时联系科尔摩根工程师，探讨具体应用需求并获得适配您需求的伺服回路技术建议。
