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为新一代永续应用设计马达编码器
[作者 Richard Anslow]   2023年11月27日 星期一 浏览人次: [2135]

本文说明如何使编码器的解析度、精度和可重复性规格,与马达和机器人系统规格相互匹配,以及设备健康监测、边缘智慧、稳定可靠的检测和高速连接如何支援未来的编码器设计;并探讨编码器应用中电子元件的未来发展趋势,解释为何完整的讯号链设计是实现新一代马达编码器设计的基础。


从定速马达转向提供位置和电流回??的变速马达,不仅可以实现制程改善,还能节省大量能源。本文介绍马达编码器(位置和速度)、元件类型和技术,以及应用案例。并解答对於特定系统最重要的编码器性能指标有哪些等关键问题。


闭??路马达控制回??系统

在过去的几十年里,从传统的联网马达向逆变器驱动马达的转换一直在稳步、持续进行。这是工业旋转设备的重大转型,透过提升马达和终端设备的使用效率,不仅实现了制程改善,还能节省大量能源。变速驱动器和伺服驱动系统提高了马达控制性能,进而可以改善要求严苛应用的品质和同步功能。如图一所示,功率级使用功率逆变器、高性能位置感测以及电流/电压闭??路回??,因此得以提升马达性能和效率。


将变频电压施加於逆变器采用脉冲宽度调变的马达,可以实现对马达的开??路速度控制。在稳态或缓慢变化的动态条件下相当有效,并且较低性能应用中的许多马达驱动器采用开??路速度控制,而不需要编码器。但是此种方法也有些缺点:


· 由於没有回??,速度精度很有限


· 由於无法优化电流控制,马达效率很低


· 必须严格限制瞬态响应,以免马达丧失同步



图一 : 闭??路马达控制回??系统
图一 : 闭??路马达控制回??系统

什麽是位置编码器?

编码器透过追踪旋转轴的速度和位置来提供闭??路回??讯号。光学和磁编码器技术使用广泛,如图二所示。


在通用伺服驱动器中,编码器用於测量轴位置,从中可推导出驱动器转速。机器人和离散控制系统需要准确且可重复的轴位置。光学编码器由具备精细光刻槽的玻璃圆盘组成。当光穿过圆盘或从圆盘反射时,光电二极体感测器将感测光的变化。


光电二极体的类比输出经过放大和数位化处理後,透过有线电缆发送到逆变器控制器。磁编码器由安装在马达轴上的磁体和磁场感测器组成,感测器提供正弦和馀弦类比输出,输出经过放大和数位化处理。光学和磁感测器讯号链类似。



图二 : (a) 光学编码器;(b) 磁编码器
图二 : (a) 光学编码器;(b) 磁编码器

类型、技术和性能指标

单圈绝对值编码器在通电後会返回机械或电气360。范围内的绝对位置讯号。马达轴的位置可以立即读取。多圈绝对值编码器不仅具有绝对位置功能,而且能提供360。圈数计数。相较之下,增量编码器则提供相对於旋转起点的位置。增量编码器提供一个索引脉冲来指示0。,并提供一个单脉冲来计数圈数,或提供一个双脉冲来提供方向资讯。


编码器的解析度是指马达轴旋转360。时可以区分的位置数量。通常最高解析度的编码器使用光学技术,而中高解析度的编码器使用磁或光学感测器。中低解析度编码器则使用旋变器(旋转变压器)或霍尔感测器。光学或磁编码器使用高解析度讯号处理。


大多数光学编码器是增量式的,编码器可重复性是一项关键性能指标,主要可用於衡量编码器返回到同一指令位置的一致性,这对於重复性任务非常重要,例如在PCB制造过程中,放置半导体所用的机器人或贴片机,必须具有良好的可重复性。



图三 : 编码器类型
图三 : 编码器类型
表一:编码器关键性能指标

指标

定义

备注

解析度

编码器每转可区分的位置数(n

高解析度:16位元至24位元
中解析度:13位元至18位元
低解析度:<12位元

绝对精度

旋转一圈後实际位置与报告位置之间的差异(类似於INL

位置控制应用依赖绝对精度

差分精度

两个相邻位置之间报告的距离与理想距离之差(类似於DNL

速度控制应用依赖差分精度

可重复性

编码器返回到同一指令位置的一致性

可重复性对於重复性任务很重要,例如涉及机器人的任务


精度和可重复性之必要

贴片机/机器人是食品包装和半导体制造产业中常用的自动化机器,为了提高制程效率,需要具有高精度和可重复性的机器或机器人,而使用高性能马达编码器能够实现高精度、可重复性和高效率。


图四展示机器人中的编码器应用案例。马达透过精密减速变速箱驱动机器臂中的每个关节。机器人关节角度透过马达上安装的精密轴角编码器(θm)和机器臂上安装的附加编码器(θj)来测量。


机器人的主要性能规格是可重复性,其数量级通常是亚毫米级。在了解可重复性规格和机器人的作用范围之後,就可以推断旋转编码器的规格。



图四 : 马达编码器(θm)和关节编码器(θj)的角度可重复性,以及机器人作用范围(L)关节编码器所需的角度可重复性(θ)可从三角函数得出:机器人可重复性除以作用范围的反正切。
图四 : 马达编码器(θm)和关节编码器(θj)的角度可重复性,以及机器人作用范围(L)关节编码器所需的角度可重复性(θ)可从三角函数得出:机器人可重复性除以作用范围的反正切。

多个关节结合起来可实现机器人的整体作用范围。感测器应具有比目标角度精度更高的性能。必须改善每个关节的可重复性规格,在此假设改善10倍。对於马达编码器,可重复性由齿轮比(G)定义。


例如,表二所示的机器人系统,关节编码器需要20位元到22位元的可重复性规格,而马达编码器需要14位元到16位元的解析度。


表二:编码器可重复性和机器人可重复性规格

机器人系统

机器人1

机器人2

假定齿轮比,G

100

可重复性规格

&plusmn;0.05 mm

&plusmn;0.01 mm

作用范围,L

1.30 m

1.10 m

编码器
可重复性
规格

θ 

0.0022°

0.0005°

θ<sub>j</sub>/10<sup>1</sub> 

 0.00022°~20位元)

0.00005°~22位元)

Θ<sub>m</sub>= θ<sub>j</sub>× G 

0.02°~14位元)

0.005°~16位元)

注1:由於机器人作用范围由多个关节共同体现,因此单个编码器必须具有更高的精度才能实现整体系统精度。


未来技术发展趋势

图五说明编码器的未来发展趋势和实现这些趋势的技术。



图五 : 编码器发展趋势和实现这些趋势的技术
图五 : 编码器发展趋势和实现这些趋势的技术

Rockwell关於伺服驱动器、编码器和编码器通讯连接埠的研究显示,用於回??通讯的收发器每年成长20%。支援透过两条线(IEEE 802.3dg标准100BASE-T1L)1进行100 Mbps通讯的单对乙太网路(SPE)收发器目前则正在研究中,未来的编码器驱动介面将受益於低延迟,目标性能为?1.5 μs。此种低延迟将支援更快的回??资料获取和更短的控制??路回应时间。


对机器人和旋转机器(例如涡轮机、风扇、泵和马达)进行的状态监测会记录与机器的健康和性能相关的即时资料,以便针对性地进行预测维护和优化控制。在机器生命周期的早期进行针对性的预测维护,可以减少生产停机的风险,进而提高可靠性、明显节约成本和提高工厂的生产率。


将MEMS加速度计放置在编码器中可提供机器的振动回??,这适合品质控制非常重要的应用。而将MEMS加速度计增加到编码器中会很方便,因为编码器具有现成的布线、通讯和电源,可以向控制器提供振动回??。在数控(CNC)机床等应用中,从编码器发送到伺服器的MEMS振动资料可用於即时优化系统性能。


使用CbM并结合稳健且寿命更长的位置感测器,可以延长工业资产的使用寿命。磁感测器产生指示周围磁场角位置的类比输出,可以取代光学编码器。磁编码器可用於湿度较高、污垢严重和灰尘较大的区域。这些恶劣的环境会影响光学解决方案的性能和使用寿命。


对於机器人和其他应用,必须始终清楚机械系统的位置,哪怕在断电的情况下也要明确知晓。标准机器人、协作机器人和其他自动化装配设备在运行过程中突然断电後,需要重新归位元并初始化电源,这些停机时间会带来一定的相关成本并导致效率低下。由ADI开发的磁性多圈记忆体不需要外部电源,也能够记录外部磁场的旋转次数,因而可以缩减系统尺寸并降低成本。


对於机器人和协作机器人,马达编码器和关节编码器通常需要16位元至18位元ADC性能,在某些情况下需要22位元ADC。有些光学绝对位置编码器也需要高达24位元解析度的高性能ADC。


马达编码器讯号链

图六至图九展示磁性(各向异性磁阻(AMR)和霍尔技术)、光学和旋变编码器的编码器讯号链。主要元件分为五大类:


1. 使用磁感测器(AMR、霍尔)追踪轴位置和速度


2. 设备健康状况监测:(a)MEMS感测器;(b)温度感测器


3. 智能:(a)具有/不具有整合ADC的微控制器;(b)旋变数位转换器(RDC)


4. 电缆介面:(a)高速RS-485/RS-422收发器;(b)SPI转RS-485扩展器收发器


5. 讯号处理:(a)高性能ADC(12位元至24位元解析度);(b)磁编码器(AMR)


感测

在磁位置感测器应用领域,AMR感测器兼具稳定可靠的性能和高精度,感测器通常位於安装在马达轴上的偶极磁体对面(图六)。



图六 : AMR感测器系统
图六 : AMR感测器系统

AMR感测器对磁场方向变化很敏感,而霍尔技术对磁场强度很敏感。所以感测器对系统中的气隙和机械公差变化具有很强的容忍度。此外,AMR感测器的工作磁场没有上限,因此,此种感测器在高磁场下工作时几??不受杂散磁场的影响。


ADA4571 为一款低延迟整合讯号处理功能的AMR感测器,提供单端类比输出,此单晶片解决方案提供良好的角度精度(典型角度误差仅为0.10度),工作速度可高达50k rpm。ADA4571-2是双通道版本,可提供完全备用能力而不影响性能,适合安全关键型应用。


ADA457x系列提供的高角度精度和可重复性改善闭??路控制,降低马达扭矩涟波和杂讯。相较於竞争技术,单晶片架构提高可靠性,减少尺寸和重量,并且更易於整合。


讯号处理和电源

AD7380 4 MSPS双通道同步采样、16位元SAR ADC具有许多系统级优势,包括节省空间的3 mm × 3 mm封装,适用於空间受限的编码器PCB板。4 MSPS吞吐速率确保撷取到正弦和馀弦周期的详细资讯,以及最新的编码器位置资讯。高吞吐速率支援进行晶片内过采样,进而缩短数位ASIC或微控制器将准确的编码器位置回??给马达时的时间延迟。


AD7380晶片内过采样可以额外增加2位元解析度,进而与晶片内解析度增强功能轻松配合使用。AD7380 ADC的VCC和VDRIVE以及放大器驱动器的电源轨可以由LDO稳压器供电。ADP320、LT3023和 LT3029 等多路输出低杂讯LDO可用来为讯号链中的所有元件供电。


收发器

ADM3066E RS-485收发器具备超低的发送器和接收器偏斜性能,所以非常适合用於传输精密时钟,EnDat 2.2 4等马达控制标准通常要求精密时脉。事实证明,ADM3065E在马达控制应用中采用典型电缆长度的确定性抖动小於5%。ADM3065E具有较宽的电源电压范围,因此此种时序性能水准也可用於需要3.3 V或5 V收发器电源的应用。


微控制器

对於需要12位元或更低解析度的应用,可以用整合ADC的微控制器来代替AD7380 ADC。小巧的MAX32672超低功耗Arm Cortex-M4F微控制器,包含一个12位元1 MSPS ADC,具有增强的安全性、周边和电源管理介面。



图七 : 磁编码器(AMR)讯号链
图七 : 磁编码器(AMR)讯号链

资产状况监控

ADXL371为一款超低功耗、3轴、数位输出、±200g微机电系统(MEMS)加速度计,适用於机器监控。ADXL371性价比高,采用小型3 mm × 3 mm封装,工作温度高达+105。C。在即时导通模式下,ADXL371消耗1.7 μA的电流,同时能持续监测环境影响。当检测到冲击事件超过内部设定的??值时,元件会切换到正常工作模式,其速度非常快以便记录事件。


磁编码器(霍尔)

可以使用AD22151或 AD22151G 设计霍尔编码器。AD22151G为一款线性磁场感测器,其输出电压与垂直施加於封装上表面的磁场成比例。为了设计编码器系统,将等间距的磁体放置在旋转马达轴上。当旋转轴磁体经过霍尔感测器时,感测器输出的电压达到峰值。使用更多磁体或感测器可以获得更高的解析度。霍尔效应编码器可以使用MAX32672和ADM3066E以支援有线介面。ADXL371 MEMS和ADT7320可为恶劣的编码器环境提供状态监测。磁编码器(AMR)部分则提供有关这些讯号链元件的更多资讯。


光学编码器

光学编码器讯号链元件与磁编码器(AMR)部分介绍的元件几??相同。但是,为了支援更高的编码器解析度,建议使用 AD7760 2.5 MSPS、24位元、100 dB Σ-Δ ADC,其融合宽广输入频宽、高速特性和Σ-Δ转换技术的优势,2.5 MSPS时讯号杂讯比(SNR)可达100 dB,因此适合高速资料撷取应用。



图八 : 磁编码器(霍尔)讯号链
图八 : 磁编码器(霍尔)讯号链

图九 : 光学编码器讯号链
图九 : 光学编码器讯号链

旋变(耦合)编码器

旋变编码器具有一些优点,例如较高的机械可靠性和高精度;但相较於磁体和ADA4571,旋变器价格更为昂贵。AD2S1200 将来自旋变器的讯号转换为数位角度或角速率。图十显示旋变器讯号链。两个放大器用於创建三阶巴特沃斯低通滤波器,以将旋变器讯号传递到AD2S1200。


为节省空间并降低设计复杂性,LTC4332 SPI扩展器可支援系统磁碟分割,提供了将微控制器置於伺服器中而非编码器中的选项。如果编码器需要微控制器,可以使用MAX32672 SPI介面直接连接AD2S1200,并且可以用ADM3065E RS-485收发器取代LTC4332。


如果使用LTC4332,AD2S1200 SPI输出会转换为稳健的差分现场汇流排界面。LTC4332包括三条从机选择线,因此MEMS和温度感测器等额外感测器可以与AD2S1200连接到同一条汇流排上。



图十 : 旋变编码器讯号链
图十 : 旋变编码器讯号链

ADI协助合作夥伴设计未来工业马达编码器和网路。利用小巧而强大的微控制器、ADXL371 MEMS加速度计和ADT7320温度感测器,可以轻松将资产健康洞察能力整合到编码器中。相较於光学或旋变器感测解决方案,ADI先进的AMR磁感测器(如ADA4571)提高可靠性,减少尺寸和重量,并且更易於整合到编码器中。采用AD7380或AD7760等中高阶ADC可实现贴片机和机器人所需的高精度和可重复性。


(本文作者Richard Anslow为ADI资深系统工程经理)


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