從具有位置和電流反饋的定速電機轉向具有位置和電流反饋的變速電機，為節省大量工藝和能源提供了一條途徑。本文概述了電機編碼器（位置和速度），包括類型和技術以及應用用例。它還回答了關鍵問題，例如哪些編碼器性能指標對我的系統最關鍵。將討論編碼器應用中使用的電子設備的主要未來趨勢，包括機器健康監測、智能和強大的長壽命傳感。最后，我們將解釋為什么完整的信號鏈設計是設計下一代電機編碼器的基礎。

電機編碼器性能指標、趨勢和電子元件

閱讀本文后，您應該能夠回答以下關鍵問題：

什么是編碼器，它如何提高逆變器和電機驅動系統的性能？

哪些編碼器性能指標對我的系統最重要？閱讀本文后，您將了解如何將編碼器分辨率、精度和可重復性規格與電機和機器人系統規格相匹配。

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，您將了解機器健康監測、邊緣智能、穩健傳感和高速連接如何實現未來的編碼器設計。

閉環電機控制反饋系統

在過去的幾十年里，從傳統的并網電機到逆變器驅動電機的轉變是穩定而持續的。這已經并將繼續是工業旋轉設備的重大轉變，并隨著電機和終端設備的高效使用，節省了巨大的工藝和能源。通過變速驅動器和伺服驅動系統實現更高質量的電機控制性能，現在可為最苛刻的應用提供更高的質量和同步性。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/電壓閉環反饋，提高了電機性能和效率。

通過使用逆變器中的脈寬調制向電機施加變頻電壓，可以實現電機的開環速度控制。在穩態或緩慢變化的動態條件下，這將相當好地工作，并且性能較低的應用中的許多電機驅動器都使用開環速度控制，而無需編碼器。但是，此方法有幾個缺點：

速度精度有限，因為沒有反饋

電機效率差，因為電流控制無法優化

必須嚴格限制瞬態響應，以免電機失去同步

圖1.閉環電機控制反饋系統。

什么是位置編碼器？

編碼器通過跟蹤旋轉軸的速度和位置來提供閉環反饋信號。光學和磁性編碼器是應用最廣泛的技術，如圖2所示。在通用伺服驅動器中，編碼器用于測量軸位置，從中得出驅動器轉速。在機器人和離散控制系統中，需要精確和可重復的軸位置。光學編碼器由帶有精細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檢測光的變化。光電二極管的模擬輸出被放大和數字化，然后通過有線電纜發送到逆變器控制器。磁編碼器由安裝在電機軸上的磁鐵組成，磁場傳感器提供正弦和余弦模擬輸出，該輸出被放大和數字化。光學和磁性傳感器信號鏈類似，如圖2所示。

電機編碼器類型、技術和性能指標

絕對式單圈編碼器在通電后返回機械或電氣 360° 內的絕對位置?？梢粤⒓醋x取電機軸的位置。絕對式多圈編碼器包括絕對值功能，并計算 360° 圈數。相反，增量編碼器提供相對于旋轉起點的位置。增量編碼器提供指示 0° 的索引脈沖和用于計數轉彎的單脈沖或用于提供方向信息的雙脈沖。

圖2.（a） 光學編碼器和（b） 磁編碼器。

編碼器的分辨率是電機軸每 360° 旋轉可以區分的位置數。通常，最高分辨率編碼器使用光學技術，而中分辨率/高分辨率編碼器使用磁性或光學傳感器。旋轉變壓器（旋轉變壓器）或霍爾傳感器用于中低分辨率編碼器。光學或磁性編碼器使用高分辨率信號調理。大多數光學編碼器都是增量式的。編碼器可重復性是一個關鍵性能指標，用于衡量編碼器返回相同命令位置的一致性。這對于重復性任務至關重要，例如在PCB制造過程中用于半導體放置的機器人或拾取和放置機器。

圖3.編碼器類型。

電機編碼器精度和可重復性的重要性

拾取和放置機器/機器人是食品包裝和半導體制造行業中常用的自動化機器。需要具有高精度和可重復性的機器或機器人來提高過程效率。精度、可重復性和效率是使用高性能電機編碼器實現的。

圖 4 展示了機器人中的編碼器用例。電機通過精密減速齒輪箱驅動機械臂中的每個關節。機器人關節角度通過安裝在電機上的精密軸角度編碼器（θm）和通常附加的臂式編碼器（θj).

對于機器人，數據表上列出的主要性能規格是可重復性，通常數量級為亞毫米級。通過了解重復性規格和機器人范圍，您可以推斷回旋轉編碼器規格。

多個關節組合在一起，實現了機器人的整體伸展范圍。傳感器應具有比目標角度精度更高的性能。必須改進每個接頭的重復性規格，這里假設改進系數為10。對于電機編碼器，重復性由齒輪箱比（G）定義。

例如，表 2 所示的機器人系統，關節編碼器需要 20 位至 22 位的可重復性規格，而電機編碼器需要 14 位至 16 位分辨率。

電機編碼器技術的未來趨勢

圖5描述了未來的編碼器趨勢和實現這些趨勢的技術。

圖5.編碼器趨勢以及實現這些趨勢的技術。

羅克韋爾的研究1對于伺服驅動器、編碼器和編碼器通信端口，用于反饋通信的收發器每年增長 20%。單對以太網 （SPE） 收發器，支持通過兩條線進行 100 Mbps 通信（IEEE 802.3dg 標準 100BASE-T1L）1目前正在研究中，未來的編碼器驅動接口將受益于低延遲，目標是≤1.5 μs。這種低延遲將支持更快的反饋數據采集和更快的控制環路響應時間。

機器人和旋轉機械（如渦輪機、風扇、泵和電機）的狀態監控 （CbM） 記錄與機器運行狀況和性能相關的實時數據，以實現有針對性的預測性維護以及優化控制。在機器生命周期的早期進行有針對性的預測性維護，可降低生產停機的風險，從而提高可靠性、顯著節省成本并提高工廠車間的生產率。使用放置在編碼器中的MEMS加速度計，為質量控制至關重要的機器提供振動反饋。將MEMS加速度計添加到編碼器非常方便，因為編碼器已經具有現有的布線、通信和電源，可以向控制器提供振動反饋。在某些應用中，例如CNC機床，從編碼器發送到伺服的MEMS振動數據可用于實時優化系統的性能。

使用CbM延長工業資產的使用壽命可以通過堅固的更長壽命位置傳感器進行補充。磁傳感器產生模擬輸出，指示周圍磁場的角度位置，可以代替光學編碼器。磁性編碼器可用于濕度、污垢和灰塵較高的區域。這些惡劣的環境會損害光學解決方案的性能和使用壽命。

對于機器人和其他應用，即使在斷電的情況下，也必須始終知道機械系統的位置。與標準機器人、協作機器人和其他自動化裝配設備相關的主要成本和低效率之一是，在運行時突然斷電后，重新定位和初始化上電所需的停機時間。ADI公司開發的磁性多圈存儲器2無需外部電源即可記錄外部磁場的旋轉次數。這導致系統尺寸和成本的降低。

對于機器人和協作機器人，電機編碼器和關節編碼器通常需要16位至18位ADC性能，在某些情況下需要22位ADC。某些光學絕對位置編碼器還需要具有高達24位分辨率的高性能ADC。

電機編碼器信號鏈

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

1. 使用磁性傳感器跟蹤軸的位置和速度（AMR、霍爾）

2. 機器健康監測

a. 微機電系統傳感器

b.溫度傳感器

3. 情報

一個。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

一個。高速RS-485/RS-422收發器

b. SPI 至 RS-485 擴展器收發器

5. 信號調理

一個。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，而霍爾技術對磁場強度敏感。由此產生的優點是傳感器對系統中的氣隙和機械公差變化具有很強的耐受性。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，該傳感器對雜散磁場具有極強的魯棒性。

ADA4571是一款AMR傳感器，具有低延遲集成信號調理功能，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50k rpm。ADA4571-2為雙通道版本，在安全關鍵型應用中提供完全冗余，而不會影響性能。

ADA4570是AAD4571的衍生產品，具有相同的性能，但具有差分輸出，適用于更惡劣的環境。ADA457x系列提供高角度精度和可重復性，改善了閉環控制，降低了電機轉矩脈動和噪聲。與競爭技術相比，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吞吐速率可確保捕獲詳細的正弦和余弦周期，并且編碼器位置是最新的。高吞吐速率可實現片上過采樣，從而減少數字ASIC或微控制器向電機饋送精確編碼器位置的時間損失。AD7380片內過采樣的另一個優點是，它允許額外的2位分辨率，可輕松與片內分辨率提升功能一起使用。應用筆記 AN-20033詳細介紹了AD7380的過采樣和分辨率提升特性。五世抄送和 V駕駛的 ADC 和放大器驅動器的電源軌可由一個 LDO 穩壓器（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。

收發器

ADM3066E RS-485收發器具有超低發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鐘，而精密時鐘通常采用EnDat 2.2等電機編碼標準。4經證明，ADM3065E在電機控制應用中遇到的典型電纜長度上表現出不到5%的確定性抖動。ADM3065E的寬電源范圍意味著這種時序性能水平適用于需要3.3 V或5 V收發器電源的應用。有關更多信息，請參閱技術文章“使用現場總線更快、更遠”。5

微控制器

對于需要12位或更低分辨率的應用，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。

資產運行狀況監控

ADXL371是一款超低功耗、3軸、數字輸出、±200 g微機電系統（MEMS）加速度計，用于機器監控。ADXL371具有成本效益，采用3 mm×3 mm小型封裝，工作溫度高達+105°C。 在瞬時開啟模式下，ADXL371的功耗為1.7 μA，同時持續監測環境的影響。當檢測到超過內部設置閾值的沖擊事件時，器件會以足夠快的速度切換到正常工作模式以記錄該事件。

ADT7320是一款高精度數字溫度傳感器，無需用戶校準或校正，具有出色的長期穩定性和可靠性。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設計。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。為了設計編碼器系統，將等間距的磁鐵放置在旋轉電機軸上。當旋轉軸磁鐵通過霍爾傳感器時，傳感器輸出的電壓達到峰值。使用更多的磁鐵或傳感器產生更高的分辨率。霍爾效應編碼器可以使用MAX32672和ADM3066E作為有線接口。ADXL371 MEMS和ADT7320為惡劣的編碼器環境提供狀態監控。磁編碼器（AMR）部分提供了有關這些信號鏈組件的更多信息。

光學編碼器

光學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轉換的優勢相結合，在100.2 MSPS時實現5 dB SNR的性能，使其成為高速數據采集的理想選擇。

圖9.光學編碼器信號鏈。

旋轉變壓器（耦合）編碼器

旋轉變壓器編碼器具有一些優點，例如高機械可靠性和精度;但是，與磁鐵和ADA4571相比，旋變器價格昂貴。

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

為了節省空間并降低設計復雜性，建議使用 LTC4332 SPI 延長器。LTC4332 支持系統分區，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。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收發器代替LTC4332。

如果使用LTC4332，AD2S1200 SPI輸出將轉換為一個穩健的差分現場總線接口。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。

結論

ADI公司深厚的領域專業知識和先進技術可幫助合作伙伴設計未來的工業電機編碼器和網絡。借助功能強大的微型微控制器、ADXL371 MEMS 和 ADT7320 溫度傳感器，可輕松將資產運行狀況洞察集成到編碼器中。ADI公司業界領先的AMR磁傳感器（如ADA4571）可提高可靠性，減小尺寸和重量，并且與光學或旋轉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可實現拾取和放置機器和機器人的高精度和可重復性。

圖 10.旋轉變壓器編碼器信號鏈。

審核編輯：郭婷