作者：Richard Anslow，系統工程高級經(jīng)理
摘要
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(shí)現工藝改進(jìn)，還能節省大量能源。本文介紹了電機編碼器（位置和速度）、器件類(lèi)型和技術(shù)以及應用案例。此外還解答了一些關(guān)鍵問(wèn)題，例如對特定系統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(lái)發(fā)展趨勢，包括設備健康監測和智能型長(cháng)期穩健的檢測。最后，本文解釋了為什么完整的信號鏈設計是實(shí)現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(guān)鍵問(wèn)題：
► 什么是編碼器，它如何提高逆變器和電機驅動(dòng)系統的性能？
► 哪些編碼器性能指標對特定系統最重要？閱讀本文后，您將了解如何使編碼器的分辨率、精度和可重復性規格與電機和機器人系統規格相匹配。
► 編碼器常用的電子元件有哪些，未來(lái)的發(fā)展趨勢是什么？閱讀本文后，您將了解設備健康監測、邊緣智能、穩定可靠的檢測和高速連接如何支持未來(lái)的編碼器設計。
閉環(huán)電機控制反饋系統
在過(guò)去的幾十年里，從傳統的并網(wǎng)電機向逆變器驅動(dòng)電機的過(guò)渡一直在穩步、持續地進(jìn)行。這是工業(yè)旋轉設備的重大轉型，通過(guò)提高電機和終端設備的使用效率，不僅實(shí)現了工藝改進(jìn)，還能節省大量能源。變速驅動(dòng)器和伺服驅動(dòng)系統提高了電機控制性能，從而可以改善要求嚴苛應用的質(zhì)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(shí)現對電機的開(kāi)環(huán)速度控制。在穩態(tài)或緩慢變化的動(dòng)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(dòng)器采用開(kāi)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(méi)有反饋，速度精度很有限
► 由于無(wú)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
什么是位置編碼器？
編碼器通過(guò)跟蹤旋轉軸的速度和位置來(lái)提供閉環(huán)反饋信號。光學(xué)和磁編碼器技術(shù)使用非常廣泛，如圖2所示。在通用伺服驅動(dòng)器中，編碼器用于測量軸位置，從中可推導出驅動(dòng)器轉速。機器人和離散控制系統需要準確且可重復的軸位置。光學(xué)編碼器由帶有精細光刻槽的玻璃圓盤(pán)組成。當光穿過(guò)圓盤(pán)或從圓盤(pán)反射時(shí)，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(jīng)過(guò)放大和數字化處理后，通過(guò)有線(xiàn)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(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(guò)放大和數字化處理。光學(xué)和磁傳感器信號鏈類(lèi)似，如圖2所示。
電機編碼器類(lèi)型、技術(shù)和性能指標
單圈絕對值編碼器在通電后會(huì )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(diǎn)的位置。增量編碼器提供一個(gè)索引脈沖來(lái)指示0°，并提供一個(gè)單脈沖來(lái)計數圈數，或提供一個(gè)雙脈沖來(lái)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軸旋轉360°時(shí)可以區分的位置數量。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調理。大多數光學(xué)編碼器是增量式的。編碼器可重復性是一項關(guān)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(wù)至關(guān)重要，例如在PCB制造過(guò)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(lèi)型
表1.編碼器關(guān)鍵性能指標
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指標
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定義
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備注
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分辨率
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編碼器每轉可區分的位置數(n)
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高分辨率：16位至24位
中分辨率：13位至18位
低分辨率：<12位
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絕對精度
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旋轉一圈后實(shí)際位置與報告位置之間的差異（類(lèi)似于INL）
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位置控制應用依賴(lài)絕對精度
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差分精度
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兩個(gè)相鄰位置之間報告的距離與理想距離之差（類(lèi)似于DNL）
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速度控制應用依賴(lài)差分精度
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可重復性
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編碼器返回到同一指令位置的一致性
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可重復性對于重復性任務(wù)很重要，例如涉及機器人的任務(wù)
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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(dòng)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(shí)現高精度、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(guò)精密減速變速箱驅動(dòng)機器臂中的每個(gè)關(guān)節。機器人關(guān)節角度通過(guò)電機上安裝的精密軸角編碼器(θm)和機器臂上安裝的附加編碼器(θj)來(lái)測量。
對于機器人，數據手冊上列出的主要性能規格是可重復性，其數量級通常在亞毫米級。在了解可重復性規格和機器人的作用范圍之后，就可以推斷旋轉編碼器的規格。
圖4.電機編碼器(θm)和關(guān)節編碼器(θj)的角度可重復性，以及機器人作用范圍(L)
關(guān)節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(gè)關(guān)節結合起來(lái)可實(shí)現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(gè)關(guān)節的可重復性規格，這里假設改進(jìn)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，關(guān)節編碼器需要20位到22位的可重復性規格，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格
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機器人系統
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機器人1
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機器人2
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假定齒輪比，G
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100
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可重復性規格
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±0.05 mm
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±0.01 mm
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作用范圍，L
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1.30 m
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1.10 m
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編碼器可重復性規格
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θ
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0.0022°
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0.0005°
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θj/101
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0.00022°（~20位）
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0.00005°（~22位）
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θm = θj × G
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0.02°（~14位）
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0.005°（~16位）
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1由于機器人作用范圍由多個(gè)關(guān)節共同體現，因此單個(gè)編碼器必須具有更高的精度才能實(shí)現整體系統精度。
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電機編碼器技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢
圖5說(shuō)明了編碼器的未來(lái)發(fā)展趨勢和實(shí)現這些趨勢的技術(shù)。
圖5.編碼器發(fā)展趨勢和實(shí)現這些趨勢的技術(shù)
Rockwell1關(guān)于伺服驅動(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(cháng)20%。支持通過(guò)兩條線(xiàn)（IEEE 802.3dg標準100BASE-T1L）1進(jìn)行100 Mbps通信的單對以太網(wǎng)(SPE)收發(fā)器目前正在研究中，未來(lái)的編碼器驅動(dòng)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(shí)間。
對機器人和旋轉機器（例如渦輪機、風(fēng)扇、泵和電機）實(shí)施的狀態(tài)監控會(huì )記錄與機器的健康和性能相關(guān)的實(shí)時(shí)數據，以便針對性地實(shí)施預測維護和優(yōu)化控制。在機器生命周期的早期進(jìn)行針對性的預測維護，可以減少生產(chǎn)停機的風(fēng)險，從而提高可靠性、顯著(zhù)節約成本和提高工廠(chǎng)的生產(chǎn)率。將MEMS加速度計放置在編碼器中可提供機器的振動(dòng)反饋，這適合質(zhì)量控制至關(guān)重要的應用。將MEMS加速度計添加到編碼器中會(huì )很方便，因為編碼器具有現成的布線(xiàn)、通信和電源，可以向控制器提供振動(dòng)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(dòng)數據可用于實(shí)時(shí)優(yōu)化系統性能。
使用CbM并結合穩健且壽命更長(cháng)的位置傳感器，可以延長(cháng)工業(yè)資產(chǎn)的使用壽命。磁傳感器產(chǎn)生指示周?chē)艌?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、污垢嚴重和灰塵較大的區域。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。
對于機器人和其他應用，必須始終清楚機械系統的位置，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(dòng)化裝配設備在運行過(guò)程中突然斷電后，需要重新歸位并初始化電源，這些停機時(shí)間會(huì )帶來(lái)一定的相關(guān)成本并導致效率低下。由ADI公司開(kāi)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(chǎng)的旋轉次數，因而可以減小系統尺寸并降低成本。
對于機器人和協(xié)作機器人，電機編碼器和關(guān)節編碼器通常需要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(shù)）、光學(xué)和旋變編碼器的編碼器信號鏈。主要元件分為五大類(lèi)：
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(lǐng)域，AMR傳感器兼具穩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
AMR傳感器對磁場(chǎng)方向變化很敏感，而霍爾技術(shù)對磁場(chǎng)強度很敏感。所以傳感器對系統中的氣隙和機械公差變化具有很強的容忍度，這一點(diǎn)很有優(yōu)勢。此外，AMR傳感器的工作磁場(chǎng)沒(méi)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(guān)鍵型應用。
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(shù)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具有許多系統級優(yōu)勢，包括節省空間的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(shí)施片內過(guò)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(shí)的時(shí)間延遲。AD7380片內過(guò)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(guò)采樣和分辨率增強功能。該ADC的VCC和VDRIVE以及放大器驅動(dòng)器的電源軌可以由LDO穩壓器（例如LT3023）供電。ADP320、LT3023和LT3029等多路輸出低噪聲LDO可用來(lái)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(shí)鐘，EnDat 2.2 4等電機控制標準通常要求精密時(shí)鐘。事實(shí)證明，ADM3065E在電機控制應用中采用典型電纜長(cháng)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)器電源的應用。有關(guān)更多信息，請參閱技術(shù)文章“利用現場(chǎng)總線(xiàn)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(lái)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(chǎn)狀況監控
ADXL371是一款超低功耗、3軸、數字輸出、±200g微機電系統(MEMS)加速度計，適用于機器監控。ADXL371性?xún)r(jià)比高，采用小型3 mm × 3 mm封裝，工作溫度高達+105°C。在即時(shí)導通模式下，ADXL371消耗1.7 μA的電流，同時(shí)能持續監測環(huán)境影響。當檢測到?jīng)_擊事件超過(guò)內部設定的閾值時(shí)，器件會(huì )切換到正常工作模式，其速度非�？煲员阌涗浭录�。
ADT7320是一款高精度數字溫度傳感器，無(wú)需用戶(hù)校準或校正，具有出色的長(cháng)期穩定性和可靠性。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
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元件
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推薦產(chǎn)品型號
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MEMS加速度計
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ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375
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溫度傳感器
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ADT7320
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電源（LDO穩壓器）
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ADP320、LT3023、LT3029
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ADC，12位、16位SAR
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MAX11198、AD7380、AD7866
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AMR磁傳感器
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ADA4570、ADA4571、AD4571-2
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雙通道比較器
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LTC6702
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收發(fā)器（RS-485、RS-422）
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MAX22506E、ADM3066E、ADM4168E、MAX22500E
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微控制器，集成ADC
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MAX32672、MAX32662
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光學(xué)編碼器
光學(xué)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(shù)的優(yōu)勢，2.5 MSPS時(shí)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(xué)編碼器信號鏈
表5.光學(xué)編碼器信號鏈推薦元件
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元件
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推薦產(chǎn)品型號
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MEMS加速度計
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ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375
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溫度傳感器
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ADT7320
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電源(LDO)
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ADP320、LT3023、LT3029
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ADC，12位、16位、24位
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MAX11198、AD7380、AD7866、AD7760
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精密運算放大器
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ADA4622-4
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雙通道比較器
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LTC6702
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收發(fā)器（RS-485、RS-422）
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MAX22506E、ADM3066E、ADM4168E、MAX22500E
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微控制器，集成ADC
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MAX32672、MAX32662
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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(lái)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(gè)放大器用于創(chuàng )建三階巴特沃斯低通濾波器，以將旋變器信號傳遞到AD2S1200。有關(guān)更多信息，請參閱電路筆記CN0276。
為節省空間并降低設計復雜性，建議使用LTC4332 SPI擴展器。LTC4332支持系統分區，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(huì )轉換為穩健的差分現場(chǎng)總線(xiàn)接口。LTC4332包括三條從機選擇線(xiàn)，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(xiàn)上。
表6.旋變編碼器信號鏈推薦元件
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元件
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推薦產(chǎn)品型號
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MEMS加速度計
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ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375
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溫度傳感器
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ADT7320
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電源（LDO穩壓器）
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ADP120、ADP220、ADP320、LT3023、LT3029、LT3024、LT3027
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精密運算放大器
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AD8694、AD8692、AD8397
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收發(fā)器（SPI/RS-485、RS-485）
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LTC4332、ADM3065E
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旋變數字轉換器
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AD2S1200、AD2S1205、AD2S1210
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結論
ADI公司利用其深厚的領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)知識和先進(jìn)技術(shù)，幫助合作伙伴設計未來(lái)工業(yè)電機編碼器和網(wǎng)絡(luò )。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(chǎn)健康洞察能力集成到編碼器中。與光學(xué)或旋變器檢測解決方案相比，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
參考資料
1. Dayin Xu�！坝糜陔姍C反饋通信的100BASE-T1L�！盧ockwell Automation，2022年5月。
2. Stephen Bradshaw、Christian Nau和Enda Nicholl�！熬哂姓嬲想娔芰εc零功耗的多圈位置傳感器(TPO)�！薄赌M對話(huà)》，第56卷第3期，2022年9月。
3. Jonathan Colao�！癆DI公司AD7380系列SAR ADC的片內過(guò)采樣�！盇DI公司，2020年6月。
4. “EnDat 2.2——位置編碼器的雙向接口�！盚eidenhain，2017年9月。
5. Richard Anslow和Neil Quinn�！袄矛F場(chǎng)總線(xiàn)提升速度，擴大覆蓋范圍�！盇DI公司，2020年3月。
關(guān)于A(yíng)DI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Richard Anslow是ADI公司工業(yè)自動(dòng)化事業(yè)部的高級經(jīng)理，從事軟件系統設計工程工作。他的專(zhuān)長(cháng)領(lǐng)域是狀態(tài)監控、電機控制和工業(yè)通信設計。他擁有愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。最近，他完成了普渡大學(xué)人工智能(AI)和機器學(xué)習(ML)的研究生課程。 |
