如何為新一代可持續(xù)應用設計電機編碼器

從定速電機轉向提供位置和電流反饋的變速電機，不僅可以實現(xiàn)工藝改進，還能節(jié)省大量能源。本文介紹了電機編碼器（位置和速度）、器件類型和技術以及應用案例。此外還解答了一些關鍵問題，例如對特定系統(tǒng)最重要的編碼器性能指標有哪些。本文將探討編碼器應用中電子器件的未來發(fā)展趨勢，包括設備健康監(jiān)測和智能型長期穩(wěn)健的檢測。最后，本文解釋了為什么完整的信號鏈設計是實現(xiàn)新一代電機編碼器設計的基礎。

電機編碼器性能指標、趨勢和電子器件

閱讀本文后，您應該能夠回答以下關鍵問題：

●  什么是編碼器，它如何提高逆變器和電機驅動系統(tǒng)的性能？

●  哪些編碼器性能指標對特定系統(tǒng)最重要？閱讀本文后，您將了解如何使編碼器的分辨率、精度和可重復性規(guī)格與電機和機器人系統(tǒng)規(guī)格相匹配。

●  編碼器常用的電子元件有哪些，未來的發(fā)展趨勢是什么？閱讀本文后，您將了解設備健康監(jiān)測、邊緣智能、穩(wěn)定可靠的檢測和高速連接如何支持未來的編碼器設計。

閉環(huán)電機控制反饋系統(tǒng)

在過去的幾十年里，從傳統(tǒng)的并網電機向逆變器驅動電機的過渡一直在穩(wěn)步、持續(xù)地進行。這是工業(yè)旋轉設備的重大轉型，通過提高電機和終端設備的使用效率，不僅實現(xiàn)了工藝改進，還能節(jié)省大量能源。變速驅動器和伺服驅動系統(tǒng)提高了電機控制性能，從而可以改善要求嚴苛應用的質量和同步功能。如圖1所示，功率級使用了功率逆變器、高性能位置檢測以及電流/電壓閉環(huán)反饋，因此電機性能和效率得以提高。

將變頻電壓施加于逆變器采用脈沖寬度調制的電機，可以實現(xiàn)對電機的開環(huán)速度控制。在穩(wěn)態(tài)或緩慢變化的動態(tài)條件下，這將相當有效，并且較低性能應用中的許多電機驅動器采用開環(huán)速度控制，而不需要編碼器。但是，這種方法有幾個缺點：

●  由于沒有反饋，速度精度很有限

●  由于無法優(yōu)化電流控制，電機效率很低

●  必須嚴格限制瞬態(tài)響應，以免電機喪失同步

圖1.閉環(huán)電機控制反饋系統(tǒng)

什么是位置編碼器？

編碼器通過跟蹤旋轉軸的速度和位置來提供閉環(huán)反饋信號。光學和磁編碼器技術使用非常廣泛，如圖2所示。在通用伺服驅動器中，編碼器用于測量軸位置，從中可推導出驅動器轉速。機器人和離散控制系統(tǒng)需要準確且可重復的軸位置。光學編碼器由帶有精細光刻槽的玻璃圓盤組成。當光穿過圓盤或從圓盤反射時，光電二極管傳感器檢測光的變化。光電二極管的模擬輸出經過放大和數字化處理后，通過有線電纜發(fā)送到逆變器控制器。磁編碼器由安裝在電機軸上的磁體和磁場傳感器組成，傳感器提供正弦和余弦模擬輸出，輸出經過放大和數字化處理。光學和磁傳感器信號鏈類似，如圖2所示。

電機編碼器類型、技術和性能指標

單圈絕對值編碼器在通電后會返回機械或電氣360°范圍內的絕對位置信號。電機軸的位置可以立即讀取。多圈絕對值編碼器不僅具有絕對位置功能，而且能提供360°圈數計數。相比之下，增量編碼器提供相對于旋轉起點的位置。增量編碼器提供一個索引脈沖來指示0°，并提供一個單脈沖來計數圈數，或提供一個雙脈沖來提供方向信息。

圖2.(a) 光學編碼器，(b) 磁編碼器

編碼器的分辨率是指電機軸旋轉360°時可以區(qū)分的位置數量。通常，最高分辨率的編碼器使用光學技術，而中高分辨率的編碼器使用磁或光學傳感器。中低分辨率編碼器使用旋變器（旋轉變壓器）或霍爾傳感器。光學或磁編碼器使用高分辨率信號調理。大多數光學編碼器是增量式的。編碼器可重復性是一項關鍵性能指標，用于衡量編碼器返回到同一指令位置的一致性。這對于重復性任務至關重要，例如在PCB制造過程中，放置半導體所用的機器人或貼片機須具有良好的可重復性。

圖3.編碼器類型

表1.編碼器關鍵性能指標

電機編碼器精度和可重復性的重要性

貼片機/機器人是食品包裝和半導體制造行業(yè)中常用的自動化機器。為了提高工藝效率，需要具有高精度和可重復性的機器或機器人。使用高性能電機編碼器可實現(xiàn)高精度、可重復性和高效率。

圖4展示了機器人中的編碼器應用案例。電機通過精密減速變速箱驅動機器臂中的每個關節(jié)。機器人關節(jié)角度通過電機上安裝的精密軸角編碼器(θ_m)和機器臂上安裝的附加編碼器(θ_j)來測量。

對于機器人，數據手冊上列出的主要性能規(guī)格是可重復性，其數量級通常在亞毫米級。在了解可重復性規(guī)格和機器人的作用范圍之后，就可以推斷旋轉編碼器的規(guī)格。

圖4.電機編碼器(θm)和關節(jié)編碼器(θj)的角度可重復性，以及機器人作用范圍(L)

關節(jié)編碼器所需的角度可重復性(θ)可從三角函數得出：機器人可重復性除以作用范圍的反正切。

多個關節(jié)結合起來可實現(xiàn)機器人的整體作用范圍。傳感器應具有比目標角度精度更高的性能。必須改善每個關節(jié)的可重復性規(guī)格，這里假設改進10倍。對于電機編碼器，可重復性由齒輪比(G)定義。

例如，對于表2所示的機器人系統(tǒng)，關節(jié)編碼器需要20位到22位的可重復性規(guī)格，而電機編碼器需要14位到16位的分辨率。

表2.編碼器可重復性和機器人可重復性規(guī)格

電機編碼器技術的未來發(fā)展趨勢

圖5說明了編碼器的未來發(fā)展趨勢和實現(xiàn)這些趨勢的技術。

圖5.編碼器發(fā)展趨勢和實現(xiàn)這些趨勢的技術

Rockwell¹關于伺服驅動器、編碼器和編碼器通信端口的研究表明，用于反饋通信的收發(fā)器每年增長20%。支持通過兩條線（IEEE 802.3dg標準100BASE-T1L）¹進行100 Mbps通信的單對以太網(SPE)收發(fā)器目前正在研究中，未來的編碼器驅動接口將受益于低延遲，目標性能為≤1.5 μs。這種低延遲將支持更快的反饋數據采集和更短的控制環(huán)路響應時間。

對機器人和旋轉機器（例如渦輪機、風扇、泵和電機）實施的狀態(tài)監(jiān)控會記錄與機器的健康和性能相關的實時數據，以便針對性地實施預測維護和優(yōu)化控制。在機器生命周期的早期進行針對性的預測維護，可以減少生產停機的風險，從而提高可靠性、顯著節(jié)約成本和提高工廠的生產率。將MEMS加速度計放置在編碼器中可提供機器的振動反饋，這適合質量控制至關重要的應用。將MEMS加速度計添加到編碼器中會很方便，因為編碼器具有現(xiàn)成的布線、通信和電源，可以向控制器提供振動反饋。在數控(CNC)機床等一些應用中，從編碼器發(fā)送到伺服器的MEMS振動數據可用于實時優(yōu)化系統(tǒng)性能。

使用CbM并結合穩(wěn)健且壽命更長的位置傳感器，可以延長工業(yè)資產的使用壽命。磁傳感器產生指示周圍磁場角位置的模擬輸出，可以代替光學編碼器。磁編碼器可用于濕度較高、污垢嚴重和灰塵較大的區(qū)域。這些惡劣的環(huán)境會影響光學解決方案的性能和使用壽命。

對于機器人和其他應用，必須始終清楚機械系統(tǒng)的位置，哪怕在斷電的情況下也要明確知曉。標準機器人、協(xié)作機器人和其他自動化裝配設備在運行過程中突然斷電后，需要重新歸位并初始化電源，這些停機時間會帶來一定的相關成本并導致效率低下。由ADI公司開發(fā)的磁性多圈存儲器²不需要外部電源也能記錄外部磁場的旋轉次數，因而可以減小系統(tǒng)尺寸并降低成本。

對于機器人和協(xié)作機器人，電機編碼器和關節(jié)編碼器通常需要16位至18位ADC性能，在某些情況下需要22位ADC。有些光學絕對位置編碼器也需要高達24位分辨率的高性能ADC。

電機編碼器信號鏈

圖6、圖7、圖8和圖9展示了磁性（各向異性磁阻(AMR)和霍爾技術）、光學和旋變編碼器的編碼器信號鏈。主要元件分為五大類：

1. 使用磁傳感器（AMR、霍爾）跟蹤軸位置和速度

2. 設備健康狀況監(jiān)測

a. MEMS傳感器

b. 溫度傳感器

3. 智能

a. 帶/不帶集成ADC的微控制器

b. 旋變數字轉換器(RDC)

4. 電纜接口

a. 高速RS-485/RS-422收發(fā)器

b. SPI轉RS-485擴展器收發(fā)器

5. 信號調理

a. 高性能ADC（12位至24位分辨率）

磁編碼器(AMR)

檢測

在磁位置傳感器應用領域，AMR傳感器兼具穩(wěn)定可靠的性能和高精度。如圖6所示，傳感器通常位于安裝在電機軸上的偶極磁體對面。

圖6.AMR傳感器系統(tǒng)

AMR傳感器對磁場方向變化很敏感，而霍爾技術對磁場強度很敏感。所以傳感器對系統(tǒng)中的氣隙和機械公差變化具有很強的容忍度，這一點很有優(yōu)勢。此外，AMR傳感器的工作磁場沒有上限，因此，這種傳感器在高磁場下工作時幾乎不受雜散磁場的影響。

ADA4571 是一款低延遲集成信號調理功能的AMR傳感器，提供單端模擬輸出。ADA4571單芯片解決方案提供良好的角度精度（典型角度誤差僅為0.10度），工作速度可高達50k rpm。ADA4571-2是雙通道版本，可提供完全冗余能力而不影響性能，適合安全關鍵型應用。

ADA4570 是AAD4571的衍生產品，具有相同的性能，但提供差分輸出，適用于更惡劣的環(huán)境。ADA457x系列提供的高角度精度和可重復性改善了閉環(huán)控制，降低了電機扭矩紋波和噪聲。與競爭技術相比，單芯片架構提高了可靠性，減小了尺寸和重量，并且更易于集成。

信號調理和電源

AD7380 4 MSPS雙通道同步采樣、16位SAR ADC具有許多系統(tǒng)級優(yōu)勢，包括節(jié)省空間的3 mm × 3 mm封裝，這對于空間受限的編碼器PCB板非常重要。4 MSPS吞吐速率確保捕捉到正弦和余弦周期的詳細信息，以及最新的編碼器位置信息。高吞吐速率支持實施片內過采樣，從而縮短數字ASIC或微控制器將準確的編碼器位置反饋給電機時的時間延遲。AD7380片內過采樣還有一個好處，它可以額外增加2位分辨率，從而與片內分辨率增強功能輕松配合使用。應用筆記AN-2003³詳細介紹了AD7380的過采樣和分辨率增強功能。該ADC的VCC和VDRIVE以及放大器驅動器的電源軌可以由LDO穩(wěn)壓器（例如LT3023）供電。ADP320、LT3023和 LT3029 等多路輸出低噪聲LDO可用來為信號鏈中的所有元件供電。

收發(fā)器

ADM3066E RS-485收發(fā)器具備超低的發(fā)送器和接收器偏斜性能，所以非常適合用于傳輸精密時鐘，EnDat 2.2 ⁴等電機控制標準通常要求精密時鐘。事實證明，ADM3065E在電機控制應用中采用典型電纜長度的確定性抖動小于5%。ADM3065E具有較寬的電源電壓范圍，因此這種時序性能水平也可用于需要3.3 V或5 V收發(fā)器電源的應用。有關更多信息，請參閱技術文章" 利用現(xiàn)場總線提升速度，擴大覆蓋范圍 "⁵。

微控制器

對于需要12位或更低分辨率的應用，可以用集成ADC的微控制器來代替AD7380 ADC。小巧的 MAX32672 超低功耗Arm^? Cortex^?-M4F微控制器包含一個12位1 MSPS ADC，具有增強的安全性、外設和電源管理接口。

圖7.磁編碼器(AMR)信號鏈

資產狀況監(jiān)控

ADXL371 是一款超低功耗、3軸、數字輸出、±200g微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計，適用于機器監(jiān)控。ADXL371性價比高，采用小型3 mm × 3 mm封裝，工作溫度高達+105°C。在即時導通模式下，ADXL371消耗1.7 μA的電流，同時能持續(xù)監(jiān)測環(huán)境影響。當檢測到沖擊事件超過內部設定的閾值時，器件會切換到正常工作模式，其速度非?？煲员阌涗浭录?/p>

ADT7320 是一款高精度數字溫度傳感器，無需用戶校準或校正，具有出色的長期穩(wěn)定性和可靠性。ADT7320的額定工作溫度范圍為-40°C至+150°C，采用小型4 mm × 4 mm LFCSP封裝。

表3.磁編碼器(AMR)信號鏈推薦元件

磁編碼器（霍爾）

可以使用AD22151或 AD22151G 設計霍爾編碼器。AD22151G是一款線性磁場傳感器，其輸出電壓與垂直施加于封裝上表面的磁場成比例。為了設計編碼器系統(tǒng)，將等間距的磁體放置在旋轉電機軸上。當旋轉軸磁體經過霍爾傳感器時，傳感器輸出的電壓達到峰值。使用更多磁體或傳感器可以獲得更高的分辨率。霍爾效應編碼器可以使用MAX32672和ADM3066E以支持有線接口。ADXL371 MEMS和ADT7320可為惡劣的編碼器環(huán)境提供狀態(tài)監(jiān)控。磁編碼器(AMR)部分提供了有關這些信號鏈元件的更多信息。

表4.磁編碼器（霍爾）信號鏈推薦元件

光學編碼器

光學編碼器信號鏈元件與磁編碼器(AMR)部分介紹的元件幾乎相同。但是，為了支持更高的編碼器分辨率，建議使用 AD7760 2.5 MSPS、24位、100 dB Σ-Δ ADC。它融合了寬輸入帶寬、高速特性和Σ-Δ轉換技術的優(yōu)勢，2.5 MSPS時信噪比(SNR)可達100 dB，因此非常適合高速數據采集應用。

圖8.磁編碼器（霍爾）信號鏈

圖9.光學編碼器信號鏈

表5.光學編碼器信號鏈推薦元件

旋變（耦合）編碼器

旋變編碼器具有一些優(yōu)點，例如較高的機械可靠性和高精度；但與磁體和ADA4571相比，旋變器價格昂貴。

AD2S1200 將來自旋變器的信號轉換為數字角度或角速率。圖10顯示了旋變器信號鏈。兩個放大器用于創(chuàng)建三階巴特沃斯低通濾波器，以將旋變器信號傳遞到AD2S1200。有關更多信息，請參閱電路筆記CN0276。

為節(jié)省空間并降低設計復雜性，建議使用 LTC4332 SPI擴展器。LTC4332支持系統(tǒng)分區(qū)，提供了將微控制器置于伺服器中而非編碼器中的選項。如果編碼器需要微控制器，可以使用MAX32672 SPI接口直接連接AD2S1200，并且可以用ADM3065E RS-485收發(fā)器代替LTC4332。

如果使用LTC4332，AD2S1200 SPI輸出會轉換為穩(wěn)健的差分現(xiàn)場總線接口。LTC4332包括三條從機選擇線，因此MEMS和溫度傳感器等額外傳感器可以與AD2S1200連接到同一條總線上。

表6.旋變編碼器信號鏈推薦元件

結論

ADI公司利用其深厚的領域專業(yè)知識和先進技術，幫助合作伙伴設計未來工業(yè)電機編碼器和網絡。利用小巧而強大的微控制器、ADXL371 MEMS加速度計和ADT7320溫度傳感器，可以輕松地將資產健康洞察能力集成到編碼器中。與光學或旋變器檢測解決方案相比，ADI公司先進的AMR磁傳感器（例如ADA4571）提高了可靠性，減小了尺寸和重量，并且更易于集成到編碼器中。采用AD7380或AD7760等中高端ADC可實現(xiàn)貼片機和機器人所需的高精度和可重復性。

圖10.旋變編碼器信號鏈

參考電路

¹Dayin Xu。 “用于電機反饋通信的100BASE-T1L” 。Rockwell Automation，2022年5月。

²Stephen Bradshaw、Christian Nau和Enda Nicholl。 “具有真正上電能力與零功耗的多圈位置傳感器(TPO)” ?！赌M對話》，第56卷第3期，2022年9月。

³Jonathan Colao。 “ADI公司AD7380系列SAR ADC的片內過采樣” 。ADI公司，2020年6月。

⁴“EnDat 2.2——位置編碼器的雙向接口” 。Heidenhain，2017年9月。

⁵Richard Anslow和Neil Quinn。 “利用現(xiàn)場總線提升速度，擴大覆蓋范圍” 。ADI公司，2020年3月。