如何為下一代可持續(xù)應(yīng)用設(shè)計(jì)電機(jī)編碼器

從具有位置和電流反饋的定速電機(jī)轉(zhuǎn)向具有位置和電流反饋的變速電機(jī)，為節(jié)省大量工藝和能源提供了一條途徑。本文概述了電機(jī)編碼器（位置和速度），包括類型和技術(shù)以及應(yīng)用用例。它還回答了關(guān)鍵問題，例如哪些編碼器性能指標(biāo)對我的系統(tǒng)最關(guān)鍵。將討論編碼器應(yīng)用中使用的電子設(shè)備的主要未來趨勢，包括機(jī)器健康監(jiān)測、智能和強(qiáng)大的長壽命傳感。最后，我們將解釋為什么完整的信號鏈設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)下一代電機(jī)編碼器的基礎(chǔ)。

電機(jī)編碼器性能指標(biāo)、趨勢和電子元件

閱讀本文后，您應(yīng)該能夠回答以下關(guān)鍵問題：

什么是編碼器，它如何提高逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能？

哪些編碼器性能指標(biāo)對我的系統(tǒng)最重要？閱讀本文后，您將了解如何將編碼器分辨率、精度和可重復(fù)性規(guī)格與電機(jī)和機(jī)器人系統(tǒng)規(guī)格相匹配。

編碼器中常用的電子元件有哪些，未來的趨勢是什么？閱讀本文后，您將了解機(jī)器健康監(jiān)測、邊緣智能、穩(wěn)健傳感和高速連接如何實(shí)現(xiàn)未來的編碼器設(shè)計(jì)。

閉環(huán)電機(jī)控制反饋系統(tǒng)

在過去的幾十年里，從傳統(tǒng)的并網(wǎng)電機(jī)到逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)變是穩(wěn)定而持續(xù)的。這已經(jīng)并將繼續(xù)是工業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的重大轉(zhuǎn)變，并隨著電機(jī)和終端設(shè)備的高效使用，節(jié)省了巨大的工藝和能源。通過變速驅(qū)動(dòng)器和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的電機(jī)控制性能，現(xiàn)在可為最苛刻的應(yīng)用提供更高的質(zhì)量和同步性。如圖1所示，通過使用功率逆變器、高性能位置檢測和功率級的電流/電壓閉環(huán)反饋，提高了電機(jī)性能和效率。

通過使用逆變器中的脈寬調(diào)制向電機(jī)施加變頻電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開環(huán)速度控制。在穩(wěn)態(tài)或緩慢變化的動(dòng)態(tài)條件下，這將相當(dāng)好地工作，并且性能較低的應(yīng)用中的許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都使用開環(huán)速度控制，而無需編碼器。但是，此方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：

速度精度有限，因?yàn)闆]有反饋

電機(jī)效率差，因?yàn)殡娏骺刂茻o法優(yōu)化

必須嚴(yán)格限制瞬態(tài)響應(yīng)，以免電機(jī)失去同步

圖1.閉環(huán)電機(jī)控制反饋系統(tǒng)。

什么是位置編碼器？

編碼器通過跟蹤旋轉(zhuǎn)軸的速度和位置來提供閉環(huán)反饋信號。光學(xué)和磁性編碼器是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，如圖2所示。在通用伺服驅(qū)動(dòng)器中，編碼器用于測量軸位置，從中得出驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速。在機(jī)器人和離散控制系統(tǒng)中，需要精確和可重復(fù)的軸位置。光學(xué)編碼器由帶有精細(xì)光刻槽的玻璃盤組成。光電二極管傳感器在光通過或從圓盤反射時(shí)檢測光的變化。光電二極管的模擬輸出被放大和數(shù)字化，然后通過有線電纜發(fā)送到逆變器控制器。磁編碼器由安裝在電機(jī)軸上的磁鐵組成，磁場傳感器提供正弦和余弦模擬輸出，該輸出被放大和數(shù)字化。光學(xué)和磁性傳感器信號鏈類似，如圖2所示。

電機(jī)編碼器類型、技術(shù)和性能指標(biāo)

絕對式單圈編碼器在通電后返回機(jī)械或電氣 360° 內(nèi)的絕對位置?？梢粤⒓醋x取電機(jī)軸的位置。絕對式多圈編碼器包括絕對值功能，并計(jì)算 360° 圈數(shù)。相反，增量編碼器提供相對于旋轉(zhuǎn)起點(diǎn)的位置。增量編碼器提供指示 0° 的索引脈沖和用于計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)彎的單脈沖或用于提供方向信息的雙脈沖。

圖2.（a） 光學(xué)編碼器和（b） 磁編碼器。

編碼器的分辨率是電機(jī)軸每 360° 旋轉(zhuǎn)可以區(qū)分的位置數(shù)。通常，最高分辨率編碼器使用光學(xué)技術(shù)，而中分辨率/高分辨率編碼器使用磁性或光學(xué)傳感器。旋轉(zhuǎn)變壓器（旋轉(zhuǎn)變壓器）或霍爾傳感器用于中低分辨率編碼器。光學(xué)或磁性編碼器使用高分辨率信號調(diào)理。大多數(shù)光學(xué)編碼器都是增量式的。編碼器可重復(fù)性是一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，用于衡量編碼器返回相同命令位置的一致性。這對于重復(fù)性任務(wù)至關(guān)重要，例如在PCB制造過程中用于半導(dǎo)體放置的機(jī)器人或拾取和放置機(jī)器。

圖3.編碼器類型。

電機(jī)編碼器精度和可重復(fù)性的重要性

拾取和放置機(jī)器/機(jī)器人是食品包裝和半導(dǎo)體制造行業(yè)中常用的自動(dòng)化機(jī)器。需要具有高精度和可重復(fù)性的機(jī)器或機(jī)器人來提高過程效率。精度、可重復(fù)性和效率是使用高性能電機(jī)編碼器實(shí)現(xiàn)的。

圖 4 展示了機(jī)器人中的編碼器用例。電機(jī)通過精密減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂中的每個(gè)關(guān)節(jié)。機(jī)器人關(guān)節(jié)角度通過安裝在電機(jī)上的精密軸角度編碼器（θm）和通常附加的臂式編碼器（θj).

對于機(jī)器人，數(shù)據(jù)表上列出的主要性能規(guī)格是可重復(fù)性，通常數(shù)量級為亞毫米級。通過了解重復(fù)性規(guī)格和機(jī)器人范圍，您可以推斷回旋轉(zhuǎn)編碼器規(guī)格。

多個(gè)關(guān)節(jié)組合在一起，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的整體伸展范圍。傳感器應(yīng)具有比目標(biāo)角度精度更高的性能。必須改進(jìn)每個(gè)接頭的重復(fù)性規(guī)格，這里假設(shè)改進(jìn)系數(shù)為10。對于電機(jī)編碼器，重復(fù)性由齒輪箱比（G）定義。

例如，表 2 所示的機(jī)器人系統(tǒng)，關(guān)節(jié)編碼器需要 20 位至 22 位的可重復(fù)性規(guī)格，而電機(jī)編碼器需要 14 位至 16 位分辨率。

電機(jī)編碼器技術(shù)的未來趨勢

圖5描述了未來的編碼器趨勢和實(shí)現(xiàn)這些趨勢的技術(shù)。

圖5.編碼器趨勢以及實(shí)現(xiàn)這些趨勢的技術(shù)。

羅克韋爾的研究1對于伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器和編碼器通信端口，用于反饋通信的收發(fā)器每年增長 20%。單對以太網(wǎng) （SPE） 收發(fā)器，支持通過兩條線進(jìn)行 100 Mbps 通信（IEEE 802.3dg 標(biāo)準(zhǔn) 100BASE-T1L）1目前正在研究中，未來的編碼器驅(qū)動(dòng)接口將受益于低延遲，目標(biāo)是≤1.5 μs。這種低延遲將支持更快的反饋數(shù)據(jù)采集和更快的控制環(huán)路響應(yīng)時(shí)間。

機(jī)器人和旋轉(zhuǎn)機(jī)械（如渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵和電機(jī)）的狀態(tài)監(jiān)控 （CbM） 記錄與機(jī)器運(yùn)行狀況和性能相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)有針對性的預(yù)測性維護(hù)以及優(yōu)化控制。在機(jī)器生命周期的早期進(jìn)行有針對性的預(yù)測性維護(hù)，可降低生產(chǎn)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高可靠性、顯著節(jié)省成本并提高工廠車間的生產(chǎn)率。使用放置在編碼器中的MEMS加速度計(jì)，為質(zhì)量控制至關(guān)重要的機(jī)器提供振動(dòng)反饋。將MEMS加速度計(jì)添加到編碼器非常方便，因?yàn)榫幋a器已經(jīng)具有現(xiàn)有的布線、通信和電源，可以向控制器提供振動(dòng)反饋。在某些應(yīng)用中，例如CNC機(jī)床，從編碼器發(fā)送到伺服的MEMS振動(dòng)數(shù)據(jù)可用于實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

使用CbM延長工業(yè)資產(chǎn)的使用壽命可以通過堅(jiān)固的更長壽命位置傳感器進(jìn)行補(bǔ)充。磁傳感器產(chǎn)生模擬輸出，指示周圍磁場的角度位置，可以代替光學(xué)編碼器。磁性編碼器可用于濕度、污垢和灰塵較高的區(qū)域。這些惡劣的環(huán)境會(huì)損害光學(xué)解決方案的性能和使用壽命。

對于機(jī)器人和其他應(yīng)用，即使在斷電的情況下，也必須始終知道機(jī)械系統(tǒng)的位置。與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和其他自動(dòng)化裝配設(shè)備相關(guān)的主要成本和低效率之一是，在運(yùn)行時(shí)突然斷電后，重新定位和初始化上電所需的停機(jī)時(shí)間。ADI公司開發(fā)的磁性多圈存儲(chǔ)器2無需外部電源即可記錄外部磁場的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。這導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸和成本的降低。

對于機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人，電機(jī)編碼器和關(guān)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。某些光學(xué)絕對位置編碼器還需要具有高達(dá)24位分辨率的高性能ADC。

電機(jī)編碼器信號鏈

圖 6、7、8 和 9 顯示了磁性（各向異性磁阻 （AMR） 和霍爾技術(shù)）、光學(xué)和旋轉(zhuǎn)變壓器編碼器的編碼器信號鏈。這些組件分為五個(gè)主要類別：

1. 使用磁性傳感器跟蹤軸的位置和速度（AMR、霍爾）

2. 機(jī)器健康監(jiān)測

a. 微機(jī)電系統(tǒng)傳感器

b.溫度傳感器

3. 情報(bào)

一個(gè)。帶/不帶集成ADC的微控制器

b.旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （RDC）

4. 電纜接口

一個(gè)。高速RS-485/RS-422收發(fā)器

b. SPI 至 RS-485 擴(kuò)展器收發(fā)器

5. 信號調(diào)理

一個(gè)。高性能ADC（12位至24位分辨率）

磁性編碼器

傳感

在磁性位置傳感器領(lǐng)域，AMR傳感器提供了魯棒性和精度的最佳組合。傳感器通常位于連接到電機(jī)軸的偶極磁體的對面。

AMR 傳感器對磁場方向變化敏感，而霍爾技術(shù)對磁場強(qiáng)度敏感。由此產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)是傳感器對系統(tǒng)中的氣隙和機(jī)械公差變化具有很強(qiáng)的耐受性。此外，由于AMR傳感器沒有工作磁場上限，因此在高磁場下工作時(shí)，該傳感器對雜散磁場具有極強(qiáng)的魯棒性。

ADA4571是一款A(yù)MR傳感器，具有低延遲集成信號調(diào)理功能，提供單端模擬輸出。ADA4571單芯片解決方案提供有保證的角度精度（典型角度誤差僅為0.10），工作速度高達(dá)50k rpm。ADA4571-2為雙通道版本，在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中提供完全冗余，而不會(huì)影響性能。

ADA4570是AAD4571的衍生產(chǎn)品，具有相同的性能，但具有差分輸出，適用于更惡劣的環(huán)境。ADA457x系列提供高角度精度和可重復(fù)性，改善了閉環(huán)控制，降低了電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。與競爭技術(shù)相比，單芯片架構(gòu)提高了可靠性，減小了尺寸和重量，并且更易于集成。

信號調(diào)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吞吐速率可確保捕獲詳細(xì)的正弦和余弦周期，并且編碼器位置是最新的。高吞吐速率可實(shí)現(xiàn)片上過采樣，從而減少數(shù)字ASIC或微控制器向電機(jī)饋送精確編碼器位置的時(shí)間損失。AD7380片內(nèi)過采樣的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它允許額外的2位分辨率，可輕松與片內(nèi)分辨率提升功能一起使用。應(yīng)用筆記 AN-20033詳細(xì)介紹了AD7380的過采樣和分辨率提升特性。五世抄送和 V駕駛的 ADC 和放大器驅(qū)動(dòng)器的電源軌可由一個(gè) LDO 穩(wěn)壓器（例如 LT3023）供電。ADP320、LT3023 和 LT3029 等多輸出低噪聲 LDO 可用于為信號鏈中的所有組件供電。

收發(fā)器

ADM3066E RS-485收發(fā)器具有超低發(fā)射器和接收器偏斜性能，這使得這些器件非常適合傳輸精密時(shí)鐘，而精密時(shí)鐘通常采用EnDat 2.2等電機(jī)編碼標(biāo)準(zhǔn)。4經(jīng)證明，ADM3065E在電機(jī)控制應(yīng)用中遇到的典型電纜長度上表現(xiàn)出不到5%的確定性抖動(dòng)。ADM3065E的寬電源范圍意味著這種時(shí)序性能水平適用于需要3.3 V或5 V收發(fā)器電源的應(yīng)用。有關(guān)更多信息，請參閱技術(shù)文章“使用現(xiàn)場總線更快、更遠(yuǎn)”。5

微控制器

對于需要12位或更低分辨率的應(yīng)用，使用集成ADC的微控制器是AD7380 ADC的替代方案。微型MAX32672超低功耗Arm Cortex-M4F微控制器包括一個(gè)12位1 MSPS ADC，具有增強(qiáng)的安全性、外設(shè)和電源管理接口。

圖7.磁編碼器 （AMR） 信號鏈。

資產(chǎn)運(yùn)行狀況監(jiān)控

ADXL371是一款超低功耗、3軸、數(shù)字輸出、±200 g微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)，用于機(jī)器監(jiān)控。ADXL371具有成本效益，采用3 mm×3 mm小型封裝，工作溫度高達(dá)+105°C。 在瞬時(shí)開啟模式下，ADXL371的功耗為1.7 μA，同時(shí)持續(xù)監(jiān)測環(huán)境的影響。當(dāng)檢測到超過內(nèi)部設(shè)置閾值的沖擊事件時(shí)，器件會(huì)以足夠快的速度切換到正常工作模式以記錄該事件。

ADT7320是一款高精度數(shù)字溫度傳感器，無需用戶校準(zhǔn)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4 mm×4 mm LFCSP小型封裝。

磁編碼器（霍爾）

霍爾編碼器可以使用AD22151或AD22151G設(shè)計(jì)。AD22151G是一款線性磁場傳感器。傳感器輸出是與垂直于封裝頂表面施加的磁場成比例的電壓。為了設(shè)計(jì)編碼器系統(tǒng)，將等間距的磁鐵放置在旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸磁鐵通過霍爾傳感器時(shí)，傳感器輸出的電壓達(dá)到峰值。使用更多的磁鐵或傳感器產(chǎn)生更高的分辨率?；魻栃?yīng)編碼器可以使用MAX32672和ADM3066E作為有線接口。ADXL371 MEMS和ADT7320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(guān)這些信號鏈組件的更多信息。

光學(xué)編碼器

光學(xué)編碼器信號鏈組件與磁編碼器（AMR）部分中描述的組件幾乎相同。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型ADC。它將寬輸入帶寬和高速與Σ-Δ轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢相結(jié)合，在100.2 MSPS時(shí)實(shí)現(xiàn)5 dB SNR的性能，使其成為高速數(shù)據(jù)采集的理想選擇。

圖9.光學(xué)編碼器信號鏈。

旋轉(zhuǎn)變壓器（耦合）編碼器

旋轉(zhuǎn)變壓器編碼器具有一些優(yōu)點(diǎn)，例如高機(jī)械可靠性和精度;但是，與磁鐵和ADA4571相比，旋變器價(jià)格昂貴。

AD2S1200將來自旋變器的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字角度/角速率。圖10顯示了旋變器信號鏈。兩個(gè)放大器用于創(chuàng)建三階巴特沃茲低通濾波器，將旋變信號傳遞到AD2S1200。有關(guān)詳細(xì)信息，請參考電路筆記CN0276。

為了節(jié)省空間并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，建議使用 LTC4332 SPI 延長器。LTC4332 支持系統(tǒng)分區(qū)，從而提供了將微控制器放置在伺服而不是編碼器上的選項(xiàng)。如果編碼器需要微控制器，則可以使用MAX32672 SPI接口作為AD2S1200的直接鏈路，也可以使用ADM3065E RS-485收發(fā)器代替LTC4332。

如果使用LTC4332，AD2S1200 SPI輸出將轉(zhuǎn)換為一個(gè)穩(wěn)健的差分現(xiàn)場總線接口。LTC4332 包括三條從屬選擇線路，因此 MEMS 和溫度傳感器等其他傳感器可以與 AD2S1200 連接在同一總線上。

結(jié)論

ADI公司深厚的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識和先進(jìn)技術(shù)可幫助合作伙伴設(shè)計(jì)未來的工業(yè)電機(jī)編碼器和網(wǎng)絡(luò)。借助功能強(qiáng)大的微型微控制器、ADXL371 MEMS 和 ADT7320 溫度傳感器，可輕松將資產(chǎn)運(yùn)行狀況洞察集成到編碼器中。ADI公司業(yè)界領(lǐng)先的AMR磁傳感器（如ADA4571）可提高可靠性，減小尺寸和重量，并且與光學(xué)或旋轉(zhuǎn)變壓器檢測解決方案相比，更易于集成到編碼器中。AD7380或AD7760等中高端ADC可實(shí)現(xiàn)拾取和放置機(jī)器和機(jī)器人的高精度和可重復(fù)性。

圖 10.旋轉(zhuǎn)變壓器編碼器信號鏈。

審核編輯：郭婷