设计未来的工业电动机编码器和网络需要哪些部件？

从固定转速到变速电机,加上位置和电流反馈,提供了一条通往巨大过程和节能的道路。本文概述了电动机编码器(位置和速度),包括类型和技术,以及应用案例。它还回答了一些关键问题,比如编码器的性能指标对我的系统来说是最重要的。将讨论编码器应用中电子产品的主要未来趋势,包括机器健康监测、智能和稳定的更长寿命传感。最后,我们将解释为什么完整的信号链设计是设计下一代电机编码器的基础。

电动编码器性能指标、趋势和电子学

阅读本文后,你应该能够回答以下关键问题:

· 什么是编码器,它如何提高我的逆变器和电动驱动系统的性能?

· 什么编码器性能指标对我的系统最重要?阅读本文后,您将了解如何将编码器分辨率、精度和可重复性规范与电机和机器人系统匹配

· 编码器中常用的电子产品是什么,未来的趋势是什么?阅读本文后,您将了解机器健康监控、边缘智能、稳定传感和高速连接是如何使未来的编码器设计成为可能的。

闭环电机控制反馈系统

在过去的几十年里,从传统的并网电动机到逆流电动机的移动一直是稳定和持续的。这一直是并将继续是工业旋转设备的一个重大转变,并已使电动机和终端设备的使用效率更高,从而实现了巨大的工艺和节能。高质量的电动机控制性能与变速驱动器和伺服驱动系统,现在提供了更高的质量和同步为最要求的应用。如采用功率逆变器、高性能位置传感器和功率级电流/电压闭环反馈,提高了电动机的性能和效率。

通过在逆变器中使用脉冲宽度调制对电动机施加变频率电压,可以实现电动机的开环转速控制。在稳定或缓慢变化的动态条件下,这将运行合理,许多低性能的电动机驱动器使用开环速度控制,无需编码器。然而,这种办法有若干缺点:

· 速度精度有限,因为没有反馈

· 由于电流控制无法优化,所以电机效率很低

· 必须严格限制暂态响应,以免电机失去同步

什么是位置编码器?

编码器通过跟踪转动轴的速度和位置提供闭环反馈信号。光学编码器和磁编码器是最广泛使用的技术。在通用伺服驱动器中,编码器用于测量轴的位置,由此推导出驱动转速。在机器人和离散控制系统中,需要精确和可重复的轴位置。光学编码器由一个带有精细光刻槽的玻璃盘组成。光电二极管传感器检测光通过或反射到磁盘时的变化。光电二极管的模拟输出被放大和数字化,然后通过有线电缆发送到逆变器控制器。磁编码器由安装在电机轴上的磁铁组成,带有提供正弦和余弦模拟输出的磁场传感器,它被放大和数字化。

电动编码器类型、技术和性能指标

绝对单转编码器返回绝对位置,无论是在机械或电气360°,一旦电源。电机轴的位置可以立即读取.绝对多路编码器包括绝对函数和计数360度旋转。相反,增量编码器提供相对于旋转起点的位置。增量编码器提供指示0°的指数脉冲和一个计算旋转的单脉冲或一个提供方向信息的双脉冲。

编码器的分辨率是每360度旋转的电机轴所能区分的位置数。一般而言,最高分辨率编码器使用光学技术,而中分辨率/高分辨率编码器使用磁性或光学传感器。解析器(旋转变压器)或霍尔传感器用于中低分辨率编码器。光学或磁性编码器使用高分辨率信号调节。大多数光学编码器是增量的。编码器的重复性是一个关键的性能度量,是一个计量编码器如何一致地返回到相同的命令位置。这对于重复性的任务是至关重要的,比如机器人或者在制造多氯联苯时用于半导体放置的采摘和放置机器。

电机编码器准确性和重复性的重要性

挑选和放置机器人是食品包装和半导体制造行业中常用的自动化机器。一个高精度和可重复性的机器人或机器人是生产效率所必需的。用高性能的电动机编码器实现了精确度、重复性和效率。

机器人编码器的电动机通过精密减速变速箱驱动机器人手臂中的每个关节。机器人关节角是通过一个精密的汽车安装轴角编码器测量的( M )和经常安装的附加臂式编码器 j ).

对于机器人,数据表中列出的主要性能规格是可重复性,典型的数量级是在亚毫米级。通过了解重复性规范和机器人的范围,您可以推断回旋转编码器规范。

联合编码器所需的角可重复性,可以从机器人可重复性的棕逆除以可及度得到。

多个关节结合起来实现机器人的整体延伸.传感器应具有比目标角精度更高的性能.每个接头的可重复性规范必须改进,这里假设了10个因素的改进。对于电动机编码器,可重复性是由变速箱比率(G)确定的。

例如,机器人系统,联合编码器需要20位到22位的可重复性规范,而在电动机编码器需要14位到16位的分辨率。

汽车编码器技术的未来趋势

对伺服驱动器、编码器和编码器通信端口的研究表明,用于反馈通信的收发器的年增长率为20%。支持100Mbps通信的单对以太网收发机(SPE)目前正在研究中,未来的编码器驱动接口将从低延迟中受益,其目标为1.5倍。这种低延迟将支持更快的反馈数据采集和更快的控制环响应时间。

基于条件的机器人和旋转机器(如涡轮机、风扇、泵和电动机)监测记录与机器健康和性能有关的实时数据,以便能够进行有针对性的预测性维护和优化控制。在机器寿命周期的早期,有针对性的预测性维护降低了生产停机的风险,从而提高了可靠性,大大节省了成本,并提高了工厂地板的生产率。使用MEMS加速度计,放置在编码器,提供振动反馈机器的质量控制至关重要。在编码器上添加MEMS加速度计是方便的,因为编码器已经有了电缆、通信和功率,可以向控制器提供振动反馈。在一些应用中,比如数控机床,从编码器发送到伺服的MEMS振动数据可以实时优化系统的性能。

可通过强有力的较长寿命位置传感器来补充使用CBM延长工业资产的使用寿命。磁传感器可以代替光学编码器,它可以产生模拟输出,显示周围磁场的角位置。磁编码器可用于湿度、污垢和灰尘较高的地区。这些恶劣的环境损害光解的性能和寿命。

对于机器人和其他应用程序来说,机械系统的位置必须永远是已知的,即使在发生断电的情况下也是如此。标准机器人、计算机机器人和其他自动化装配设备的主要成本和效率低下之一是,在运行过程中突然失去动力后,重新定位和启动电源所需的停机时间。由模拟设备[2]开发的磁多转存储器不需要外部功率来记录外部磁场的旋转次数。这导致系统规模和成本降低。

对于机器人和机器人,电动机编码器和联合编码器通常需要16位到18位的ADC性能,有些情况下需要22位的ADC。一些光学绝对位置编码器也需要高性能的ADC,最高可达24位分辨率。

电动编码器信号链

磁编码器(各向异性磁阻(AMR)和霍尔技术)、光学编码器和解析编码器的编码器信号链，这些构成部分分为五大类:

1. 利用磁传感器(AMR,霍尔)进行跟踪轴的位置和速度

2. 机器健康监测

a. 传感器

b. 温度传感器

3. 智能

a. 带/不带集成ADC的单片机

b. 模拟-数字转换器

4. 电缆接口

a. 高速RS-485/RS-422收发机

b. SPI至RS-485扩展收发机

5. 信号调节

a. 高性能计算机控制中心(12位至24位分辨率)

磁编码器

在磁基位置传感器领域,AMR传感器提供了最好的鲁棒性和精度组合。传感器通常被放置在一个偶极磁体的对面,并连接到电机轴上。

AMR传感器对磁场方向变化很敏感,这与霍尔技术对磁场强度的敏感性不同。由此产生的优点是,传感器非常耐气隙和机械公差在系统中的变化。由于AMR传感器没有工作磁场上限,所以当使用高磁场时,该传感器对杂散磁场具有极强的鲁棒性。

ADA4571 是一种具有低延迟集成信号调节的AMR传感器,提供单端模拟输出。ADA4571单片机解决方案提供了保证的角精度(只有0.10个典型的角误差),并可以在最高50KRPM的速度运行。Ada4571-2是一个双重版本,它提供了完全的冗余,但不影响安全性至关重要的应用程序的性能。

ADA4570 是AAD4571的一个衍生物,它的性能相同,但输出有差异,可在更恶劣的环境中使用。Ada457X系列提供的高角精度和重复性改进了闭环控制,减少了电机转矩的波动和噪音。单片机体系结构提高了可靠性,减小了尺寸和重量,与竞争技术相比,更容易集成。

信号调节和电源

AD7380 4MSP双同步采样,16位合成孔径雷达ADC提供了许多系统级的好处,包括节省空间3mm3mm的封装,对空间约束的编码器多氯联苯板很重要。4MSP吞吐率确保详细的正弦和余弦周期被捕获,编码器位置是最新的。高吞吐率使芯片上的采样过多,这减少了为电机提供精确编码器位置的数字ASIC或微控制器的时间限制。AD7380芯片上采样过多的一个额外好处是,它允许额外的2比特分辨率,这可以很容易地使用一个芯片上的分辨率提升功能。申请说明AN-2003[3]详细介绍了AD7380的过度采样和分辨率提升功能。第五节 计算机控制 和V 开车 的ADC及放大器驱动器的供应轨道可由一个LDO调节器,例如 LT3023 .多输出低噪音 ADP320 , LT3023, and LT3029 可用于驱动信号链中的所有组件.

收发机

ADM3066E RS-485收发机具有超低的发射器和接收器的偏斜性能,这使这些设备成为精确时钟传输的理想设备,这通常在电机编码标准(如endat2.2)中得到体现。[4]已经证明,在电动机控制应用中遇到的典型电缆长度中,表明不到5%的确定性抖动。该系统的广泛供应范围意味着,对于需要3.3V或5V收发器电源的应用程序,这种时间性能水平是可用的。

微控制器

对于需要12位或更低分辨率的应用程序,使用AD7380ADC的替代方法是集成ADC的单片机。微小的 MAX32672 超低功率臂 ® 皮层 ® -M4F单片机包括一个12位1MSPADC,具有增强的安全性、外围设备和电源管理接口。

资产健康监测

Adxl371 是超低功率,三轴,数码输出,u200 g 机器监控微机电系统加速度计。Adxl371具有成本效益,可作为3毫米x3毫米的小型包件使用,最高可在+105°C运行。在即时模式下,Adxl371消耗1.7欧姆A,同时持续监测环境的影响。当检测到一个超过内部设定阈值的撞击事件时,设备会以足够快的速度切换到正常的操作模式来记录事件。

ADT7320 是一种高精度的数字温度传感器,不需要用户校准或校正,长期稳定性和可靠性好。ADT7320的等级为在-40℃至+150℃的扩展范围内运行,可在4毫米/4毫米LFCSP小包装中使用。

表3磁编码器(AMR)信号链推荐组件

磁编码器(霍尔)

霍尔编码器可使用AD22151或 AD22151G .AD22151G是一种线性磁场传感器。传感器输出的电压与垂直于包件顶部表面的磁场成正比。为了设计编码器系统,在旋转电机轴上放置等距磁体。当旋转轴磁铁通过霍尔传感器时,从传感器峰值输出的电压.使用更多的磁铁或传感器会产生更多的分辨率。霍尔效应编码器可以使用MAX32672和AX3066E的有线接口。Adxl371MEMS和Adt7320提供了恶劣编码器环境的条件监测。磁编码器(AMR)部分提供更多的信息,这些信号链组件。

表4磁编码器(霍尔)信号链推荐组件

光学编码器

光学编码器的信号链组件与磁编码器(AMR)节中描述的几乎相同。然而,为了支持更高的编码器分辨率, AD7760 建议采用2.5MSP,24位,100分贝西格玛三角洲。它结合了宽输入带宽和高速与西格玛三角转换的好处,实现了一个性能100分贝信噪比2.5MSP,使其理想的高速数据采集。

表5光学编码器信号链推荐组件

分解器(耦合)编码器

解析器编码器具有机械可靠性和准确性高等优点,但与磁铁和Ada4571相比,解析器成本昂贵。

… AD2S1200 将信号从解析器转换为数字角/角速率。图10显示了解析器信号链。使用两个放大器来创建一个三阶巴特沃斯低通滤波器,将解析器信号传递到Ad2S1200。指 电路注 获取更多信息。

为了节省空间和减少设计的复杂性, LTC4332 建议使用SPI扩展器。LTC4332支持系统划分,提供将微控制器放在伺服而不是编码器上的选项。如果一个微控制器

在编码器上需要,MAX32672SPI接口可以作为直接链接到AD2S1200,并可以使用AX3065ERS-485收发机代替LTC4332。

如果使用LTC4332,AD2S1200SPI输出将转换为一个稳定的微分场总线接口。LTC4332包括三个从属选择线,所以额外的传感器,如MEMS和温度传感器可以连接在与AD2S1200相同的总线上。

表6解析器编码器信号链推荐组件

结论

模拟设备的深领域专业知识和先进技术帮助合作伙伴设计未来的工业电动机编码器和网络。在编码器中集成资产健康见解很容易被微型和强大的微控制器,Adxl371MEMS和AD7320温度传感器所利用。工业化设计有限公司的工业领先的AMR磁传感器,如Ada4571,提高了可靠性,减小了尺寸和重量,与光学或解析器传感解决方案相比,更容易集成到编码器中。对于选择和放置机器人来说,高精度和可重复性是可能的,中高端的ADC,如AD7380或AD7760。

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