伺服编码器的分辨率是如何获取的（聊一聊什么是伺服）

很多人讲过什么是伺服，我没有在做伺服，我是做编码器的。我在学校里接受的是物理实验室的训练，没有伺服。我以编码器和物理实验室的角度讲一下什么是伺服和同步，这里有很多做伺服的朋友们，不敢班门弄斧只为学习交流。当然我的目的是要介绍辅助编码器与TSN的意义。

我用伺服外行的最简单的描述，什么是伺服：

两个字：伺服。

四个字：观察、听话。（“伺”字：观察，侦候。“服”字：服从，听话）

八个字：观察自检，听话，到位。

十六个字：什么时候，到达哪里，做什么事。自检、听话。

这是外行看得到的伺服外环闭环，我觉得这16个字够了。伺服内环是电流控制环，我讲不了。

实际上，按照牛二定律表明这是一个力的坐标系：

F=kma; （ F=力；m=质量；k=惯性常数；a=加速度），加速度是位置与时间的综合坐标，在前面已经有了。它对应的是内环的电的坐标系，电流电压对应电功率与矢量（矢量力），频率对应速度，相位对应位置。

第四句话，自检、听话——它需要有反馈传感信息来自我检查，对于指令执行的情况的偏差，做出偏差补偿计算与执行，再循环自检，直至非常符合输入指令要求，这称为闭环控制——什么时候，到达哪里，做了什么事。

什么是伺服偏差？

1，时间执行偏差（称之为响应）。

2，位置到位偏差（称之为精度）。

3，任务完成偏差。这活干得怎么样，要让最终使用户满意。

至于怎么能做到自检和听话，这取决于伺服控制的内环与机械传动：电信号对电机驱动的调整。驱动电流相位对应电机转子位置的变化（同步电机），频率对应速度，相位的提前量（或电动势能）和电流电压的功率对应力矩（矢量）。。当然，这只是我编码器人讲的话。这里有很多做伺服的业内人士，我就不敢班门弄斧了。

说上面这一段的简述伺服，是因为我要快速引入到下一个话题：什么是同步。

请注意：几乎所有人讲什么是伺服的都在讲伺服三个环闭环：位置环、速度环、力矩电流环。

而如果进入了多运动任务同步联动控制和TSN时代，这个一直以来的大误解可能需要改一改了。

同步：那是时钟同步闭环、位置同步闭环和合作完成同一个任务闭环。

再请注意：伺服电机后的编码器并没有提供速度反馈，它只提供了位置传感反馈，并没有直接提供速度反馈！（第一原理思考）——速度是有伺服控制器自身的时钟心跳，去计算获得某一段时间内的平均速度。

速度闭环实际上是时钟与位置两个闭环的简化。是每一个时钟下的位置闭环的时间微分（或者平均速度）。但是单个伺服它省却了时钟闭环，因为只有一个伺服控制器的心跳，它只有一个时钟，不存在不同步的困惑，所以它可以化解到速度闭环可以方便地与频率对应（这来自于变频时代的遗传）。当多个伺服电机多个伺服控制器的是在不同心跳下在一起工作，就必须把时钟闭环给找回来对齐了，才能实现可靠的同步与联动。

检验伺服“听话”程度的有两个方面，一个是听话的精确性，上面讲了时间上响应的精确性，和位置上到达位置的精确性；第二个就是同步对比了，没有比较就不知道好坏，也就是两个以上“听话”的电机一起来比试，一起去“做什么事”而做同一件事的比较。能做好同步，就可以验证伺服做得好不好。

现代的工业自动化控制已经不是单电机单负载的“孤独时代”了，往往是多个电机负载在变化的相互之间的协同完成一个加工任务，甚至不同类型的电机不同的功率变化的负载以及伺服与变频与液压油缸等等其他运动件共同去执行一项加工任务。随着科技的发展，制造领域也产生了时钟同步的需求。为了提高生产节拍和产品质量，即提高单机设备的速度和精度，各个动作单元和传感器必须分毫不差地协调动作。而大型产线上的多个控制器为了精确地协同动作，也必须基于同一个时间基准交换数据。单机和产线的协同动作就分别提出了控制系统内时钟同步和跨系统时钟同步的需求。

进入二十一世纪了，这是个合作与共享的时代，做伺服也一样。例如两台直角运动的电机画一个圆，例如机器人有六轴的去抓取一个鸡蛋放到篮子里去，这么多的电机好去共同演奏一场交响乐，用各种乐器完成一个个乐章。那就时钟节奏上同步统一。而这对于伺服而言，这就是同步：

——什么时候，各自到达哪里，去分工合作完成同一件事。

“同步”是指每一个时间与位置的“同步”比较的闭环控制。是时间同步和位置同步。而不是“速度同速”。这是“同步控制”题目的第一原理。

在机器人控制理论发展中，有各轴从串行控制到并行控制的进化过程，串行控制是在时间上的先后运算，没有时钟同步，但在各个轴控制时间上是有先后的闭环，所以是同速不是同步，最终发现串行控制无法精确完成机器人动作，从而发展到并行控制，各个轴同时间的并行闭环控制，这是时间坐标与位置坐标同时的做同步闭环控制了。

在位置上，伺服编码器反馈的位置角度，有可能并不是最后做同步的位置，中间隔了一套传动减速装置，而减速装置的机械间隙与弹性振荡，伺服编码器再到做同步的母系统，又带来位置的很大的在机械上偏差和机械弹性延迟的时差。于是这样做的同步会发现电机会有可能发生很大的振荡。

做伺服多轴同步控制就需要有全闭环编码器最佳，例如直驱电机上的编码器。

但是，如果是增量编码器，没有原始时间轴，并且有可能是干扰后的位置丢失。最好就是要用绝对值编码器。

于是，要做好更多的伺服的同步，我们建议引入下一个概念，辅助编码器。

辅助编码器——由于伺服电机的大量出现，在伺服电机上的编码器我们称之为伺服编码器，它更多的是电机运动控制传感反馈。与系统定位配合的第二个绝对值编码器成为了辅助编码器---提供低速终端(或最接近终端)的绝对值位置反馈，提供与其它轴对比做同步与联动的绝对位置比较信息反馈，提供系统通电开机时的每个轴的绝对值位置和初始相关位置关系，相当于早期的开机找零，并随时有每个轴的绝对值位置和各个轴的相关关系。有人也称为全闭环编码器。

但是从概念上讲，全闭环仍是针对一个电机自己的控制的，是子系统内的。而辅助绝对值编码器是开放给大系统（上位机母系统）各个位置做同步对比协调的，它的精度偏差绕过了减速机的误差与丢脉冲不可靠可能，是直接对应电机传动后的位置测量反馈的。而另一个重要的是在时钟坐标上到上位系统控制器的延迟损失时钟偏差量最小。

辅助编码器——对于市场上还是大部分半闭环伺服而言，辅助编码器可以减少伺服偏差，也即时间坐标偏差和位置坐标偏差。这有利于同步的低成本简单实现与提高同步（任务坐标）的高效精准性和安全性。

（如果我们还不能理解TSN出现的意义，那是因为大部分人对伺服的理解，都把时间坐标闭环给忽略了，而只是进入到伺服“速度闭环”的大误解中。）

当TSN来了，我们可以实现完美的广域的伺服与同步。多轴多运动任务的同步联动，柔性化可调。

数字孪生的落地与编码器上工业互联网

上一篇文章的下面这张图，还是有人提出怀疑，绝对值编码器直接上工业互联网有什么意义吗？

（贫穷限制了想象力。当有些人眼睛已经习惯于只有进口大品牌的说明书手册，耳朵只会听进口大品牌怎么说时，已没有了第一原理思考习惯，那样的思维贫穷逐渐失去了创造力。数字孪生如果没有编码器可以直接上工业互联网，就如同有人吹牛说没有编码器他一样可以做伺服和同步。）

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