設(shè)計未來的工業(yè)電動機編碼器和網(wǎng)絡(luò)需要哪些部件？

從固定轉(zhuǎn)速到變速電機,加上位置和電流反饋,提供了一條通往巨大過程和節(jié)能的道路。本文概述了電動機編碼器(位置和速度),包括類型和技術(shù),以及應(yīng)用案例。它還回答了一些關(guān)鍵問題,比如編碼器的性能指標(biāo)對我的系統(tǒng)來說是最重要的。將討論編碼器應(yīng)用中電子產(chǎn)品的主要未來趨勢,包括機器健康監(jiān)測、智能和穩(wěn)定的更長壽命傳感。最后,我們將解釋為什么完整的信號鏈設(shè)計是設(shè)計下一代電機編碼器的基礎(chǔ)。

電動編碼器性能指標(biāo)、趨勢和電子學(xué)

閱讀本文后,你應(yīng)該能夠回答以下關(guān)鍵問題:

· 什么是編碼器,它如何提高我的逆變器和電動驅(qū)動系統(tǒng)的性能?

· 什么編碼器性能指標(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)范與電機和機器人系統(tǒng)匹配

· 編碼器中常用的電子產(chǎn)品是什么,未來的趨勢是什么?閱讀本文后,您將了解機器健康監(jiān)控、邊緣智能、穩(wěn)定傳感和高速連接是如何使未來的編碼器設(shè)計成為可能的。

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(wǎng)電動機到逆流電動機的移動一直是穩(wěn)定和持續(xù)的。這一直是并將繼續(xù)是工業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的一個重大轉(zhuǎn)變,并已使電動機和終端設(shè)備的使用效率更高,從而實現(xiàn)了巨大的工藝和節(jié)能。高質(zhì)量的電動機控制性能與變速驅(qū)動器和伺服驅(qū)動系統(tǒng),現(xiàn)在提供了更高的質(zhì)量和同步為最要求的應(yīng)用。如采用功率逆變器、高性能位置傳感器和功率級電流/電壓閉環(huán)反饋,提高了電動機的性能和效率。

通過在逆變器中使用脈沖寬度調(diào)制對電動機施加變頻率電壓,可以實現(xiàn)電動機的開環(huán)轉(zhuǎn)速控制。在穩(wěn)定或緩慢變化的動態(tài)條件下,這將運行合理,許多低性能的電動機驅(qū)動器使用開環(huán)速度控制,無需編碼器。然而,這種辦法有若干缺點:

· 速度精度有限,因為沒有反饋

· 由于電流控制無法優(yōu)化,所以電機效率很低

· 必須嚴(yán)格限制暫態(tài)響應(yīng),以免電機失去同步

什么是位置編碼器?

編碼器通過跟蹤轉(zhuǎn)動軸的速度和位置提供閉環(huán)反饋信號。光學(xué)編碼器和磁編碼器是最廣泛使用的技術(shù)。在通用伺服驅(qū)動器中,編碼器用于測量軸的位置,由此推導(dǎo)出驅(qū)動轉(zhuǎn)速。在機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)編碼器由一個帶有精細(xì)光刻槽的玻璃盤組成。光電二極管傳感器檢測光通過或反射到磁盤時的變化。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軸上的磁鐵組成,帶有提供正弦和余弦模擬輸出的磁場傳感器,它被放大和數(shù)字化。

電動編碼器類型、技術(shù)和性能指標(biāo)

絕對單轉(zhuǎn)編碼器返回絕對位置,無論是在機械或電氣360°,一旦電源。電機軸的位置可以立即讀取.絕對多路編碼器包括絕對函數(shù)和計數(shù)360度旋轉(zhuǎn)。相反,增量編碼器提供相對于旋轉(zhuǎn)起點的位置。增量編碼器提供指示0°的指數(shù)脈沖和一個計算旋轉(zhuǎn)的單脈沖或一個提供方向信息的雙脈沖。

編碼器的分辨率是每360度旋轉(zhuǎn)的電機軸所能區(qū)分的位置數(shù)。一般而言,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。解析器(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)節(jié)。大多數(shù)光學(xué)編碼器是增量的。編碼器的重復(fù)性是一個關(guān)鍵的性能度量,是一個計量編碼器如何一致地返回到相同的命令位置。這對于重復(fù)性的任務(wù)是至關(guān)重要的,比如機器人或者在制造多氯聯(lián)苯時用于半導(dǎo)體放置的采摘和放置機器。

電機編碼器準(zhǔn)確性和重復(fù)性的重要性

挑選和放置機器人是食品包裝和半導(dǎo)體制造行業(yè)中常用的自動化機器。一個高精度和可重復(fù)性的機器人或機器人是生產(chǎn)效率所必需的。用高性能的電動機編碼器實現(xiàn)了精確度、重復(fù)性和效率。

機器人編碼器的電動機通過精密減速變速箱驅(qū)動機器人手臂中的每個關(guān)節(jié)。機器人關(guān)節(jié)角是通過一個精密的汽車安裝軸角編碼器測量的( M )和經(jīng)常安裝的附加臂式編碼器 j ).

對于機器人,數(shù)據(jù)表中列出的主要性能規(guī)格是可重復(fù)性,典型的數(shù)量級是在亞毫米級。通過了解重復(fù)性規(guī)范和機器人的范圍,您可以推斷回旋轉(zhuǎn)編碼器規(guī)范。

聯(lián)合編碼器所需的角可重復(fù)性,可以從機器人可重復(fù)性的棕逆除以可及度得到。

多個關(guān)節(jié)結(jié)合起來實現(xiàn)機器人的整體延伸.傳感器應(yīng)具有比目標(biāo)角精度更高的性能.每個接頭的可重復(fù)性規(guī)范必須改進,這里假設(shè)了10個因素的改進。對于電動機編碼器,可重復(fù)性是由變速箱比率(G)確定的。

例如,機器人系統(tǒng),聯(lián)合編碼器需要20位到22位的可重復(fù)性規(guī)范,而在電動機編碼器需要14位到16位的分辨率。

汽車編碼器技術(shù)的未來趨勢

對伺服驅(qū)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)器的年增長率為20%。支持100Mbps通信的單對以太網(wǎng)收發(fā)機(SPE)目前正在研究中,未來的編碼器驅(qū)動接口將從低延遲中受益,其目標(biāo)為1.5倍。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)響應(yīng)時間。

基于條件的機器人和旋轉(zhuǎn)機器(如渦輪機、風(fēng)扇、泵和電動機)監(jiān)測記錄與機器健康和性能有關(guān)的實時數(shù)據(jù),以便能夠進行有針對性的預(yù)測性維護和優(yōu)化控制。在機器壽命周期的早期,有針對性的預(yù)測性維護降低了生產(chǎn)停機的風(fēng)險,從而提高了可靠性,大大節(jié)省了成本,并提高了工廠地板的生產(chǎn)率。使用MEMS加速度計,放置在編碼器,提供振動反饋機器的質(zhì)量控制至關(guān)重要。在編碼器上添加MEMS加速度計是方便的,因為編碼器已經(jīng)有了電纜、通信和功率,可以向控制器提供振動反饋。在一些應(yīng)用中,比如數(shù)控機床,從編碼器發(fā)送到伺服的MEMS振動數(shù)據(jù)可以實時優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

可通過強有力的較長壽命位置傳感器來補充使用CBM延長工業(yè)資產(chǎn)的使用壽命。磁傳感器可以代替光學(xué)編碼器,它可以產(chǎn)生模擬輸出,顯示周圍磁場的角位置。磁編碼器可用于濕度、污垢和灰塵較高的地區(qū)。這些惡劣的環(huán)境損害光解的性能和壽命。

對于機器人和其他應(yīng)用程序來說,機械系統(tǒng)的位置必須永遠(yuǎn)是已知的,即使在發(fā)生斷電的情況下也是如此。標(biāo)準(zhǔn)機器人、計算機機器人和其他自動化裝配設(shè)備的主要成本和效率低下之一是,在運行過程中突然失去動力后,重新定位和啟動電源所需的停機時間。由模擬設(shè)備[2]開發(fā)的磁多轉(zhuǎn)存儲器不需要外部功率來記錄外部磁場的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。這導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模和成本降低。

對于機器人和機器人,電動機編碼器和聯(lián)合編碼器通常需要16位到18位的ADC性能,有些情況下需要22位的ADC。一些光學(xué)絕對位置編碼器也需要高性能的ADC,最高可達24位分辨率。

電動編碼器信號鏈

磁編碼器(各向異性磁阻(AMR)和霍爾技術(shù))、光學(xué)編碼器和解析編碼器的編碼器信號鏈，這些構(gòu)成部分分為五大類:

1. 利用磁傳感器(AMR,霍爾)進行跟蹤軸的位置和速度

2. 機器健康監(jiān)測

a. 傳感器

b. 溫度傳感器

3. 智能

a. 帶/不帶集成ADC的單片機

b. 模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器

4. 電纜接口

a. 高速RS-485/RS-422收發(fā)機

b. SPI至RS-485擴展收發(fā)機

5. 信號調(diào)節(jié)

a. 高性能計算機控制中心(12位至24位分辨率)

磁編碼器

在磁基位置傳感器領(lǐng)域,AMR傳感器提供了最好的魯棒性和精度組合。傳感器通常被放置在一個偶極磁體的對面,并連接到電機軸上。

AMR傳感器對磁場方向變化很敏感,這與霍爾技術(shù)對磁場強度的敏感性不同。由此產(chǎn)生的優(yōu)點是,傳感器非常耐氣隙和機械公差在系統(tǒng)中的變化。由于AMR傳感器沒有工作磁場上限,所以當(dāng)使用高磁場時,該傳感器對雜散磁場具有極強的魯棒性。

ADA4571 是一種具有低延遲集成信號調(diào)節(jié)的AMR傳感器,提供單端模擬輸出。ADA4571單片機解決方案提供了保證的角精度(只有0.10個典型的角誤差),并可以在最高50KRPM的速度運行。Ada4571-2是一個雙重版本,它提供了完全的冗余,但不影響安全性至關(guān)重要的應(yīng)用程序的性能。

ADA4570 是AAD4571的一個衍生物,它的性能相同,但輸出有差異,可在更惡劣的環(huán)境中使用。Ada457X系列提供的高角精度和重復(fù)性改進了閉環(huán)控制,減少了電機轉(zhuǎn)矩的波動和噪音。單片機體系結(jié)構(gòu)提高了可靠性,減小了尺寸和重量,與競爭技術(shù)相比,更容易集成。

信號調(diào)節(jié)和電源

AD7380 4MSP雙同步采樣,16位合成孔徑雷達ADC提供了許多系統(tǒng)級的好處,包括節(jié)省空間3mm3mm的封裝,對空間約束的編碼器多氯聯(lián)苯板很重要。4MSP吞吐率確保詳細(xì)的正弦和余弦周期被捕獲,編碼器位置是最新的。高吞吐率使芯片上的采樣過多,這減少了為電機提供精確編碼器位置的數(shù)字ASIC或微控制器的時間限制。AD7380芯片上采樣過多的一個額外好處是,它允許額外的2比特分辨率,這可以很容易地使用一個芯片上的分辨率提升功能。申請說明AN-2003[3]詳細(xì)介紹了AD7380的過度采樣和分辨率提升功能。第五節(jié) 計算機控制 和V 開車 的ADC及放大器驅(qū)動器的供應(yīng)軌道可由一個LDO調(diào)節(jié)器,例如?LT3023 .多輸出低噪音?ADP320 , LT3023, and?LT3029 可用于驅(qū)動信號鏈中的所有組件.

收發(fā)機

ADM3066E RS-485收發(fā)機具有超低的發(fā)射器和接收器的偏斜性能,這使這些設(shè)備成為精確時鐘傳輸?shù)睦硐朐O(shè)備,這通常在電機編碼標(biāo)準(zhǔn)(如endat2.2)中得到體現(xiàn)。[4]已經(jīng)證明,在電動機控制應(yīng)用中遇到的典型電纜長度中,表明不到5%的確定性抖動。該系統(tǒng)的廣泛供應(yīng)范圍意味著,對于需要3.3V或5V收發(fā)器電源的應(yīng)用程序,這種時間性能水平是可用的。

微控制器

對于需要12位或更低分辨率的應(yīng)用程序,使用AD7380ADC的替代方法是集成ADC的單片機。微小的?MAX32672 超低功率臂 ® 皮層 ® -M4F單片機包括一個12位1MSPADC,具有增強的安全性、外圍設(shè)備和電源管理接口。

資產(chǎn)健康監(jiān)測

Adxl371 是超低功率,三軸,數(shù)碼輸出,u200 g 機器監(jiān)控微機電系統(tǒng)加速度計。Adxl371具有成本效益,可作為3毫米x3毫米的小型包件使用,最高可在+105°C運行。在即時模式下,Adxl371消耗1.7歐姆A,同時持續(xù)監(jiān)測環(huán)境的影響。當(dāng)檢測到一個超過內(nèi)部設(shè)定閾值的撞擊事件時,設(shè)備會以足夠快的速度切換到正常的操作模式來記錄事件。

ADT7320 是一種高精度的數(shù)字溫度傳感器,不需要用戶校準(zhǔn)或校正,長期穩(wěn)定性和可靠性好。ADT7320的等級為在-40℃至+150℃的擴展范圍內(nèi)運行,可在4毫米/4毫米LFCSP小包裝中使用。

表3磁編碼器(AMR)信號鏈推薦組件

磁編碼器(霍爾)

霍爾編碼器可使用AD22151或?AD22151G .AD22151G是一種線性磁場傳感器。傳感器輸出的電壓與垂直于包件頂部表面的磁場成正比。為了設(shè)計編碼器系統(tǒng),在旋轉(zhuǎn)電機軸上放置等距磁體。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸磁鐵通過霍爾傳感器時,從傳感器峰值輸出的電壓.使用更多的磁鐵或傳感器會產(chǎn)生更多的分辨率。霍爾效應(yīng)編碼器可以使用MAX32672和AX3066E的有線接口。Adxl371MEMS和Adt7320提供了惡劣編碼器環(huán)境的條件監(jiān)測。磁編碼器(AMR)部分提供更多的信息,這些信號鏈組件。

表4磁編碼器(霍爾)信號鏈推薦組件

光學(xué)編碼器

光學(xué)編碼器的信號鏈組件與磁編碼器(AMR)節(jié)中描述的幾乎相同。然而,為了支持更高的編碼器分辨率,?AD7760 建議采用2.5MSP,24位,100分貝西格瑪三角洲。它結(jié)合了寬輸入帶寬和高速與西格瑪三角轉(zhuǎn)換的好處,實現(xiàn)了一個性能100分貝信噪比2.5MSP,使其理想的高速數(shù)據(jù)采集。

表5光學(xué)編碼器信號鏈推薦組件

分解器(耦合)編碼器

解析器編碼器具有機械可靠性和準(zhǔn)確性高等優(yōu)點,但與磁鐵和Ada4571相比,解析器成本昂貴。

…?AD2S1200 將信號從解析器轉(zhuǎn)換為數(shù)字角/角速率。圖10顯示了解析器信號鏈。使用兩個放大器來創(chuàng)建一個三階巴特沃斯低通濾波器,將解析器信號傳遞到Ad2S1200。指?電路注 獲取更多信息。

為了節(jié)省空間和減少設(shè)計的復(fù)雜性,?LTC4332 建議使用SPI擴展器。LTC4332支持系統(tǒng)劃分,提供將微控制器放在伺服而不是編碼器上的選項。如果一個微控制器

在編碼器上需要,MAX32672SPI接口可以作為直接鏈接到AD2S1200,并可以使用AX3065ERS-485收發(fā)機代替LTC4332。

如果使用LTC4332,AD2S1200SPI輸出將轉(zhuǎn)換為一個穩(wěn)定的微分場總線接口。LTC4332包括三個從屬選擇線,所以額外的傳感器,如MEMS和溫度傳感器可以連接在與AD2S1200相同的總線上。

表6解析器編碼器信號鏈推薦組件

結(jié)論

模擬設(shè)備的深領(lǐng)域?qū)I(yè)知識和先進技術(shù)幫助合作伙伴設(shè)計未來的工業(yè)電動機編碼器和網(wǎng)絡(luò)。在編碼器中集成資產(chǎn)健康見解很容易被微型和強大的微控制器,Adxl371MEMS和AD7320溫度傳感器所利用。工業(yè)化設(shè)計有限公司的工業(yè)領(lǐng)先的AMR磁傳感器,如Ada4571,提高了可靠性,減小了尺寸和重量,與光學(xué)或解析器傳感解決方案相比,更容易集成到編碼器中。對于選擇和放置機器人來說,高精度和可重復(fù)性是可能的,中高端的ADC,如AD7380或AD7760。

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