如何為新一代可持續(xù)應(yīng)用設(shè)計(jì)電機(jī)編碼器

從定速電機(jī)轉(zhuǎn)向提供位置和電流反饋的變速電機(jī)，不僅可以實(shí)現(xiàn)工藝改進(jìn)，還能節(jié)省大量能源。本文介紹了電機(jī)編碼器（位置和速度）、器件類型和技術(shù)以及應(yīng)用案例。此外還解答了一些關(guān)鍵問題，例如對(duì)特定系統(tǒng)最重要的編碼器性能指標(biāo)有哪些。本文將探討編碼器應(yīng)用中電子器件的未來發(fā)展趨勢(shì)，包括設(shè)備健康監(jiān)測(cè)和智能型長(zhǎng)期穩(wěn)健的檢測(cè)。最后，本文解釋了為什么完整的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)新一代電機(jī)編碼器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

電機(jī)編碼器性能指標(biāo)、趨勢(shì)和電子器件

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(duì)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(fù)性規(guī)格與電機(jī)和機(jī)器人系統(tǒng)規(guī)格相匹配。

●  編碼器常用的電子元件有哪些，未來的發(fā)展趨勢(shì)是什么？閱讀本文后，您將了解設(shè)備健康監(jiān)測(cè)、邊緣智能、穩(wěn)定可靠的檢測(cè)和高速連接如何支持未來的編碼器設(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)向逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過渡一直在穩(wěn)步、持續(xù)地進(jìn)行。這是工業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的重大轉(zhuǎn)型，通過提高電機(jī)和終端設(shè)備的使用效率，不僅實(shí)現(xiàn)了工藝改進(jìn)，還能節(jié)省大量能源。變速驅(qū)動(dòng)器和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提高了電機(jī)控制性能，從而可以改善要求嚴(yán)苛應(yīng)用的質(zhì)量和同步功能。如圖1所示，功率級(jí)使用了功率逆變器、高性能位置檢測(cè)以及電流/電壓閉環(huán)反饋，因此電機(jī)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(diào)制的電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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)有效，并且較低性能應(yīng)用中的許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)缺點(diǎn)：

●  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(jī)效率很低

●  必須嚴(yán)格限制瞬態(tài)響應(yīng)，以免電機(jī)喪失同步

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(hào)。光學(xué)和磁編碼器技術(shù)使用非常廣泛，如圖2所示。在通用伺服驅(qū)動(dòng)器中，編碼器用于測(cè)量軸位置，從中可推導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速。機(jī)器人和離散控制系統(tǒng)需要準(zhǔn)確且可重復(fù)的軸位置。光學(xué)編碼器由帶有精細(xì)光刻槽的玻璃圓盤組成。當(dāng)光穿過圓盤或從圓盤反射時(shí)，光電二極管傳感器檢測(cè)光的變化。光電二極管的模擬輸出經(jīng)過放大和數(shù)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(jī)軸上的磁體和磁場(chǎng)傳感器組成，傳感器提供正弦和余弦模擬輸出，輸出經(jīng)過放大和數(shù)字化處理。光學(xué)和磁傳感器信號(hào)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)

單圈絕對(duì)值編碼器在通電后會(huì)返回機(jī)械或電氣360°范圍內(nèi)的絕對(duì)位置信號(hào)。電機(jī)軸的位置可以立即讀取。多圈絕對(duì)值編碼器不僅具有絕對(duì)位置功能，而且能提供360°圈數(shù)計(jì)數(shù)。相比之下，增量編碼器提供相對(duì)于旋轉(zhuǎn)起點(diǎn)的位置。增量編碼器提供一個(gè)索引脈沖來指示0°，并提供一個(gè)單脈沖來計(jì)數(shù)圈數(shù)，或提供一個(gè)雙脈沖來提供方向信息。

圖2.(a) 光學(xué)編碼器，(b) 磁編碼器

編碼器的分辨率是指電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)360°時(shí)可以區(qū)分的位置數(shù)量。通常，最高分辨率的編碼器使用光學(xué)技術(shù)，而中高分辨率的編碼器使用磁或光學(xué)傳感器。中低分辨率編碼器使用旋變器（旋轉(zhuǎn)變壓器）或霍爾傳感器。光學(xué)或磁編碼器使用高分辨率信號(hào)調(diào)理。大多數(shù)光學(xué)編碼器是增量式的。編碼器可重復(fù)性是一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，用于衡量編碼器返回到同一指令位置的一致性。這對(duì)于重復(fù)性任務(wù)至關(guān)重要，例如在PCB制造過程中，放置半導(dǎo)體所用的機(jī)器人或貼片機(jī)須具有良好的可重復(fù)性。

圖3.編碼器類型

表1.編碼器關(guān)鍵性能指標(biāo)

電機(jī)編碼器精度和可重復(fù)性的重要性

貼片機(jī)/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。為了提高工藝效率，需要具有高精度和可重復(fù)性的機(jī)器或機(jī)器人。使用高性能電機(jī)編碼器可實(shí)現(xiàn)高精度、可重復(fù)性和高效率。

圖4展示了機(jī)器人中的編碼器應(yīng)用案例。電機(jī)通過精密減速變速箱驅(qū)動(dòng)機(jī)器臂中的每個(gè)關(guān)節(jié)。機(jī)器人關(guān)節(jié)角度通過電機(jī)上安裝的精密軸角編碼器(θ_m)和機(jī)器臂上安裝的附加編碼器(θ_j)來測(cè)量。

對(duì)于機(jī)器人，數(shù)據(jù)手冊(cè)上列出的主要性能規(guī)格是可重復(fù)性，其數(shù)量級(jí)通常在亞毫米級(jí)。在了解可重復(fù)性規(guī)格和機(jī)器人的作用范圍之后，就可以推斷旋轉(zhuǎn)編碼器的規(guī)格。

圖4.電機(jī)編碼器(θm)和關(guān)節(jié)編碼器(θj)的角度可重復(fù)性，以及機(jī)器人作用范圍(L)

關(guān)節(jié)編碼器所需的角度可重復(fù)性(θ)可從三角函數(shù)得出：機(jī)器人可重復(fù)性除以作用范圍的反正切。

多個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)合起來可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的整體作用范圍。傳感器應(yīng)具有比目標(biāo)角度精度更高的性能。必須改善每個(gè)關(guān)節(jié)的可重復(fù)性規(guī)格，這里假設(shè)改進(jìn)10倍。對(duì)于電機(jī)編碼器，可重復(fù)性由齒輪比(G)定義。

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

表2.編碼器可重復(fù)性和機(jī)器人可重復(fù)性規(guī)格

電機(jī)編碼器技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)

圖5說明了編碼器的未來發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)現(xiàn)這些趨勢(shì)的技術(shù)。

圖5.編碼器發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)現(xiàn)這些趨勢(shì)的技術(shù)

Rockwell¹關(guān)于伺服驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)20%。支持通過兩條線（IEEE 802.3dg標(biāo)準(zhǔn)100BASE-T1L）¹進(jìn)行100 Mbps通信的單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)收發(fā)器目前正在研究中，未來的編碼器驅(qū)動(dòng)接口將受益于低延遲，目標(biāo)性能為≤1.5 μs。這種低延遲將支持更快的反饋數(shù)據(jù)采集和更短的控制環(huán)路響應(yīng)時(shí)間。

對(duì)機(jī)器人和旋轉(zhuǎn)機(jī)器（例如渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵和電機(jī)）實(shí)施的狀態(tài)監(jiān)控會(huì)記錄與機(jī)器的健康和性能相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便針對(duì)性地實(shí)施預(yù)測(cè)維護(hù)和優(yōu)化控制。在機(jī)器生命周期的早期進(jìn)行針對(duì)性的預(yù)測(cè)維護(hù)，可以減少生產(chǎn)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高可靠性、顯著節(jié)約成本和提高工廠的生產(chǎn)率。將MEMS加速度計(jì)放置在編碼器中可提供機(jī)器的振動(dòng)反饋，這適合質(zhì)量控制至關(guān)重要的應(yīng)用。將MEMS加速度計(jì)添加到編碼器中會(huì)很方便，因?yàn)榫幋a器具有現(xiàn)成的布線、通信和電源，可以向控制器提供振動(dòng)反饋。在數(shù)控(CNC)機(jī)床等一些應(yīng)用中，從編碼器發(fā)送到伺服器的MEMS振動(dòng)數(shù)據(jù)可用于實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)性能。

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

對(duì)于機(jī)器人和其他應(yīng)用，必須始終清楚機(jī)械系統(tǒng)的位置，哪怕在斷電的情況下也要明確知曉。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)備在運(yùn)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(jī)時(shí)間會(huì)帶來一定的相關(guān)成本并導(dǎo)致效率低下。由ADI公司開發(fā)的磁性多圈存儲(chǔ)器²不需要外部電源也能記錄外部磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，因而可以減小系統(tǒng)尺寸并降低成本。

對(duì)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。有些光學(xué)絕對(duì)位置編碼器也需要高達(dá)24位分辨率的高性能ADC。

電機(jī)編碼器信號(hào)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(shù)）、光學(xué)和旋變編碼器的編碼器信號(hào)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(shè)備健康狀況監(jiān)測(cè)

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(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)

4. 電纜接口

a. 高速RS-485/RS-422收發(fā)器

b. SPI轉(zhuǎn)RS-485擴(kuò)展器收發(fā)器

5. 信號(hào)調(diào)理

a. 高性能ADC（12位至24位分辨率）

磁編碼器(AMR)

檢測(cè)

在磁位置傳感器應(yīng)用領(lǐng)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(jī)軸上的偶極磁體對(duì)面。

圖6.AMR傳感器系統(tǒng)

AMR傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向變化很敏感，而霍爾技術(shù)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度很敏感。所以傳感器對(duì)系統(tǒng)中的氣隙和機(jī)械公差變化具有很強(qiáng)的容忍度，這一點(diǎn)很有優(yōu)勢(shì)。此外，AMR傳感器的工作磁場(chǎng)沒有上限，因此，這種傳感器在高磁場(chǎng)下工作時(shí)幾乎不受雜散磁場(chǎng)的影響。

ADA4571 是一款低延遲集成信號(hào)調(diào)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(dá)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(guān)鍵型應(yīng)用。

ADA4570 是AAD4571的衍生產(chǎn)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(fù)性改善了閉環(huán)控制，降低了電機(jī)扭矩紋波和噪聲。與競(jìng)爭(zhēng)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(hào)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(jí)優(yōu)勢(shì)，包括節(jié)省空間的3 mm × 3 mm封裝，這對(duì)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(xì)信息，以及最新的編碼器位置信息。高吞吐速率支持實(shí)施片內(nèi)過采樣，從而縮短數(shù)字ASIC或微控制器將準(zhǔn)確的編碼器位置反饋給電機(jī)時(shí)的時(shí)間延遲。AD7380片內(nèi)過采樣還有一個(gè)好處，它可以額外增加2位分辨率，從而與片內(nèi)分辨率增強(qiáng)功能輕松配合使用。應(yīng)用筆記AN-2003³詳細(xì)介紹了AD7380的過采樣和分辨率增強(qiáng)功能。該ADC的VCC和VDRIVE以及放大器驅(qū)動(dòng)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(hào)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(shí)鐘，EnDat 2.2 ⁴等電機(jī)控制標(biāo)準(zhǔn)通常要求精密時(shí)鐘。事實(shí)證明，ADM3065E在電機(jī)控制應(yīng)用中采用典型電纜長(zhǎng)度的確定性抖動(dòng)小于5%。ADM3065E具有較寬的電源電壓范圍，因此這種時(shí)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(yīng)用。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱技術(shù)文章" 利用現(xiàn)場(chǎng)總線提升速度，擴(kuò)大覆蓋范圍 "⁵。

微控制器

對(duì)于需要12位或更低分辨率的應(yīng)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(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(hào)鏈

資產(chǎn)狀況監(jiān)控

ADXL371 是一款超低功耗、3軸、數(shù)字輸出、±200g微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)，適用于機(jī)器監(jiān)控。ADXL371性價(jià)比高，采用小型3 mm × 3 mm封裝，工作溫度高達(dá)+105°C。在即時(shí)導(dǎo)通模式下，ADXL371消耗1.7 μA的電流，同時(shí)能持續(xù)監(jiān)測(cè)環(huán)境影響。當(dāng)檢測(cè)到?jīng)_擊事件超過內(nèi)部設(shè)定的閾值時(shí)，器件會(huì)切換到正常工作模式，其速度非常快以便記錄事件。

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(zhǎng)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(hào)鏈推薦元件

磁編碼器（霍爾）

可以使用AD22151或 AD22151G 設(shè)計(jì)霍爾編碼器。AD22151G是一款線性磁場(chǎng)傳感器，其輸出電壓與垂直施加于封裝上表面的磁場(chǎng)成比例。為了設(shè)計(jì)編碼器系統(tǒng)，將等間距的磁體放置在旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸磁體經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，傳感器輸出的電壓達(dá)到峰值。使用更多磁體或傳感器可以獲得更高的分辨率?；魻栃?yīng)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(guān)這些信號(hào)鏈元件的更多信息。

表4.磁編碼器（霍爾）信號(hào)鏈推薦元件

光學(xué)編碼器

光學(xué)編碼器信號(hào)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(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，2.5 MSPS時(shí)信噪比(SNR)可達(dá)100 dB，因此非常適合高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

圖8.磁編碼器（霍爾）信號(hào)鏈

圖9.光學(xué)編碼器信號(hào)鏈

表5.光學(xué)編碼器信號(hào)鏈推薦元件

旋變（耦合）編碼器

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

AD2S1200 將來自旋變器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字角度或角速率。圖10顯示了旋變器信號(hào)鏈。兩個(gè)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(hào)傳遞到AD2S1200。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱電路筆記CN0276。

為節(jié)省空間并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，建議使用 LTC4332 SPI擴(kuò)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(xiàng)。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(huì)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)健的差分現(xiàn)場(chǎng)總線接口。LTC4332包括三條從機(jī)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(hào)鏈推薦元件

結(jié)論

ADI公司利用其深厚的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)和先進(jìn)技術(shù)，幫助合作伙伴設(shè)計(jì)未來工業(yè)電機(jī)編碼器和網(wǎng)絡(luò)。利用小巧而強(qiáng)大的微控制器、ADXL371 MEMS加速度計(jì)和ADT7320溫度傳感器，可以輕松地將資產(chǎn)健康洞察能力集成到編碼器中。與光學(xué)或旋變器檢測(cè)解決方案相比，ADI公司先進(jìn)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(shí)現(xiàn)貼片機(jī)和機(jī)器人所需的高精度和可重復(fù)性。

圖10.旋變編碼器信號(hào)鏈

參考電路

¹Dayin Xu。 “用于電機(jī)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(duì)話》，第56卷第3期，2022年9月。

³Jonathan Colao。 “ADI公司AD7380系列SAR ADC的片內(nèi)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(chǎng)總線提升速度，擴(kuò)大覆蓋范圍” 。ADI公司，2020年3月。