圖5說明了編碼器的未來發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)現(xiàn)這些趨勢(shì)的技術(shù)。
圖5.編碼器發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)現(xiàn)這些趨勢(shì)的技術(shù)
Rockwell1關(guān)于伺服驅(qū)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20%。支持通過兩條線(IEEE 802.3dg標(biāo)準(zhǔn)100BASE-T1L)1進(jìn)行100 Mbps通信的單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)收發(fā)器目前正在研究中,未來的編碼器驅(qū)動(dòng)接口將受益于低延遲,目標(biāo)性能為≤1.5 μs。這種低延遲將支持更快的反饋數(shù)據(jù)采集和更短的控制環(huán)路響應(yīng)時(shí)間。
對(duì)機(jī)器人和旋轉(zhuǎn)機(jī)器(例如渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵和電機(jī))實(shí)施的狀態(tài)監(jiān)控會(huì)記錄與機(jī)器的健康和性能相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),以便針對(duì)性地實(shí)施預(yù)測(cè)維護(hù)和優(yōu)化控制。在機(jī)器生命周期的早期進(jìn)行針對(duì)性的預(yù)測(cè)維護(hù),可以減少生產(chǎn)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn),從而提高可靠性、顯著節(jié)約成本和提高工廠的生產(chǎn)率。將MEMS加速度計(jì)放置在編碼器中可提供機(jī)器的振動(dòng)反饋,這適合質(zhì)量控制至關(guān)重要的應(yīng)用。將MEMS加速度計(jì)添加到編碼器中會(huì)很方便,因?yàn)榫幋a器具有現(xiàn)成的布線、通信和電源,可以向控制器提供振動(dòng)反饋。在數(shù)控(CNC)機(jī)床等一些應(yīng)用中,從編碼器發(fā)送到伺服器的MEMS振動(dòng)數(shù)據(jù)可用于實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)性能。
使用CbM并結(jié)合穩(wěn)健且壽命更長的位置傳感器,可以延長工業(yè)資產(chǎn)的使用壽命。磁傳感器產(chǎn)生指示周圍磁場角位置的模擬輸出,可以代替光學(xué)編碼器。磁編碼器可用于濕度較高、污垢嚴(yán)重和灰塵較大的區(qū)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(duì)于機(jī)器人和其他應(yīng)用,必須始終清楚機(jī)械系統(tǒng)的位置,哪怕在斷電的情況下也要明確知曉。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和其他自動(dòng)化裝配設(shè)備在運(yùn)行過程中突然斷電后,需要重新歸位并初始化電源,這些停機(jī)時(shí)間會(huì)帶來一定的相關(guān)成本并導(dǎo)致效率低下。由ADI公司開發(fā)的磁性多圈存儲(chǔ)器2不需要外部電源也能記錄外部磁場的旋轉(zhuǎn)次數(shù),因而可以減小系統(tǒng)尺寸并降低成本。
對(duì)于機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人,電機(jī)編碼器和關(guān)節(jié)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(duì)位置編碼器也需要高達(dá)24位分辨率的高性能ADC。
電機(jī)編碼器信號(hào)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(hào)鏈。主要元件分為五大類:
1. 使用磁傳感器(AMR、霍爾)跟蹤軸位置和速度
2. 設(shè)備健康狀況監(jiān)測(cè)
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(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)
4. 電纜接口
a. 高速RS-485/RS-422收發(fā)器
b. SPI轉(zhuǎn)RS-485擴(kuò)展器收發(fā)器
5. 信號(hào)調(diào)理
a. 高性能ADC(12位至24位分辨率)
磁編碼器(AMR)檢測(cè)
在磁位置傳感器應(yīng)用領(lǐng)域,AMR傳感器兼具穩(wěn)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(jī)軸上的偶極磁體對(duì)面。
圖6.AMR傳感器系統(tǒng)
AMR傳感器對(duì)磁場方向變化很敏感,而霍爾技術(shù)對(duì)磁場強(qiáng)度很敏感。所以傳感器對(duì)系統(tǒng)中的氣隙和機(jī)械公差變化具有很強(qiáng)的容忍度,這一點(diǎn)很有優(yōu)勢(shì)。此外,AMR傳感器的工作磁場沒有上限,因此,這種傳感器在高磁場下工作時(shí)幾乎不受雜散磁場的影響。
ADA4571是一款低延遲集成信號(hào)調(diào)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(dá)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(yīng)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(fù)性改善了閉環(huán)控制,降低了電機(jī)扭矩紋波和噪聲。與競爭技術(shù)相比,單芯片架構(gòu)提高了可靠性,減小了尺寸和重量,并且更易于集成。
信號(hào)調(diào)理和電源
AD7380 4 MSPS雙通道同步采樣、16位SAR ADC具有許多系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì),包括節(jié)省空間的3 mm × 3 mm封裝,這對(duì)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(xì)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(nèi)過采樣,從而縮短數(shù)字ASIC或微控制器將準(zhǔn)確的編碼器位置反饋給電機(jī)時(shí)的時(shí)間延遲。AD7380片內(nèi)過采樣還有一個(gè)好處,它可以額外增加2位分辨率,從而與片內(nèi)分辨率增強(qiáng)功能輕松配合使用。應(yīng)用筆記AN-20033詳細(xì)介紹了AD7380的過采樣和分辨率增強(qiáng)功能。該ADC的VCC和VDRIVE以及放大器驅(qū)動(dòng)器的電源軌可以由LDO穩(wěn)壓器(例如LT3023)供電。ADP320、LT3023和LT3029等多路輸出低噪聲LDO可用來為信號(hào)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(jī)控制標(biāo)準(zhǔn)通常要求精密時(shí)鐘。事實(shí)證明,ADM3065E在電機(jī)控制應(yīng)用中采用典型電纜長度的確定性抖動(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(yīng)用。有關(guān)更多信息,請(qǐng)參閱技術(shù)文章“利用現(xiàn)場總線提升速度,擴(kuò)大覆蓋范圍”5。
微控制器
對(duì)于需要12位或更低分辨率的應(yīng)用,可以用集成ADC的微控制器來代替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(qiáng)的安全性、外設(shè)和電源管理接口。
圖7.磁編碼器(AMR)信號(hào)鏈
資產(chǎn)狀況監(jiān)控
ADXL371是一款超低功耗、3軸、數(shù)字輸出、±200g微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì),適用于機(jī)器監(jiān)控。ADXL371性價(jià)比高,采用小型3 mm × 3 mm封裝,工作溫度高達(dá)+105°C。在即時(shí)導(dǎo)通模式下,ADXL371消耗1.7 μA的電流,同時(shí)能持續(xù)監(jiān)測(cè)環(huán)境影響。當(dāng)檢測(cè)到?jīng)_擊事件超過內(nèi)部設(shè)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(shù)字溫度傳感器,無需用戶校準(zhǔn)或校正,具有出色的長期穩(wěn)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(hào)鏈推薦元件
元件 | 推薦產(chǎn)品型號(hào) |
MEMS加速度計(jì) | ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375 |
溫度傳感器 | ADT7320 |
電源(LDO穩(wěn)壓器) | ADP320、LT3023、LT3029 |
ADC,12位、16位SAR | MAX11198、AD7380、AD7866 |
AMR磁傳感器 | ADA4570、ADA4571、AD4571-2 |
雙通道比較器 | LTC6702 |
收發(fā)器(RS-485、RS-422) | MAX22506E、ADM3066E、ADM4168E、MAX22500E |
微控制器,集成ADC | MAX32672、MAX32662 |
光學(xué)編碼器
光學(xué)編碼器信號(hào)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(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)勢(shì),2.5 MSPS時(shí)信噪比(SNR)可達(dá)100 dB,因此非常適合高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。
圖8.磁編碼器(霍爾)信號(hào)鏈
圖9.光學(xué)編碼器信號(hào)鏈
表5.光學(xué)編碼器信號(hào)鏈推薦元件
元件 | 推薦產(chǎn)品型號(hào) |
MEMS加速度計(jì) | ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375 |
溫度傳感器 | ADT7320 |
電源(LDO穩(wěn)壓器) | ADP320、LT3023、LT3029 |
ADC,12位、16位、24位 | MAX11198、AD7380、AD7866、AD7760 |
精密運(yùn)算放大器 | ADA4622-4 |
雙通道比較器 | LTC6702 |
收發(fā)器(RS-485、RS-422) | MAX22506E、ADM3066E、ADM4168E、MAX22500E |
微控制器,集成ADC | MAX32672、MAX32662 |
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(jī)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將來自旋變器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字角度或角速率。圖10顯示了旋變器信號(hào)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(hào)傳遞到AD2S1200。有關(guān)更多信息,請(qǐng)參閱電路筆記CN0276。
為節(jié)省空間并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性,建議使用LTC4332 SPI擴(kuò)展器。LTC4332支持系統(tǒng)分區(qū),提供了將微控制器置于伺服器中而非編碼器中的選項(xiàng)。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(zhuǎn)換為穩(wěn)健的差分現(xiàn)場總線接口。LTC4332包括三條從機(jī)選擇線,因此MEMS和溫度傳感器等額外傳感器可以與AD2S1200連接到同一條總線上。
表6.旋變編碼器信號(hào)鏈推薦元件
元件 | 推薦產(chǎn)品型號(hào) |
MEMS加速度計(jì) | ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375 |
溫度傳感器 | ADT7320 |
電源(LDO穩(wěn)壓器) | ADP320、LT3023、LT3029 |
精密運(yùn)算放大器 | AD8694、AD8692、AD8397 |
收發(fā)器(RS-485、RS-422) | LTC4332、ADM3065E |
旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器 | AD2S1200、AD2S1205、AD2S1210 |
結(jié)論
ADI公司利用其深厚的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)和先進(jìn)技術(shù),幫助合作伙伴設(shè)計(jì)未來工業(yè)電機(jī)編碼器和網(wǎng)絡(luò)。利用小巧而強(qiáng)大的微控制器、ADXL371 MEMS加速度計(jì)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(cè)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(xiàn)貼片機(jī)和機(jī)器人所需的高精度和可重復(fù)性。
圖10.旋變編碼器信號(hào)鏈
參考資料
1. Dayin Xu。“用于電機(jī)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)。”《模擬對(duì)話》,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(nèi)過采樣?!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(xiàn)場總線提升速度,擴(kuò)大覆蓋范圍?!盇DI公司,2020年3月。
關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司,致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁,以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案,推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展,應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn),并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過120億美元,全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶,ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息,請(qǐng)?jiān)L問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(jí)經(jīng)理,從事軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程工作。他的專長領(lǐng)域是狀態(tài)監(jiān)控、電機(jī)控制和工業(yè)通信設(shè)計(jì)。他擁有愛爾蘭利默里克大學(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(jī)器學(xué)習(xí)(ML)的研究生課程。
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