M2M系統(tǒng)編碼器從模擬過渡到數(shù)字組件設計

本杰明·富蘭克林讓“時間就是金錢”這句話變得流行，而我認為可以毫不夸張地說，這也是對從事機器設計、工業(yè)自動化或機器人技術的人士的真實寫照。 機器停機不僅造成焦慮，保守地說，這種情況本身其實要付出高昂的成本和精力。 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 以及控制傳感器數(shù)據(jù)、機對機 (M2M) 通信和自動化技術的能力在不斷革新機器數(shù)據(jù)捕捉和通信的方式。 從模擬到數(shù)字設備的轉換正在創(chuàng)造高度智能的機器，這些機器具備全新且振奮人心的診斷能力，為工程師提供以前無法獲得的重要信息和數(shù)據(jù)訪問。 通過這些新數(shù)據(jù)，設計師們取得了驚人的進步，提升機器自主預測故障和減少停機時間的能力。

圖 1：CUI 的典型機對機通信系統(tǒng)圖示。

旋轉編碼器是工業(yè)、機器人、航空航天、能源和自動化應用中運動控制反饋回路的關鍵部件。 這些裝置要求編碼器性能優(yōu)良、長期可靠、經(jīng)久耐用，從而能經(jīng)常在多塵、多污染、多溫變和強振的惡劣環(huán)境下工作。 隨著近來機器人和自動化工業(yè)的快速發(fā)展，對更快、更精確、更高效和更智能的編碼器的需求在急劇增加。 遺憾的是，目前市面上的編碼器無法向運動控制設計師提供任何智能。 CUI 基于 ASIC 的數(shù)字 AMT 編碼器系列彌補了這一空白，可為設計師提供重要的診斷和編程工具，這些工具能加快上市速度，減少現(xiàn)場停機時間。

圖 2：CUI 的 AMT 編碼器是市面上首款采用基于 ASIC 的數(shù)字設計。

將診斷能力納入到旋轉編碼器中，讓設計師能夠獲得有價值的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，而這在以前的純模擬解決方案中是無法做到的。 該數(shù)據(jù)可用于讓系統(tǒng)快速確定編碼器是否正常工作，出現(xiàn)故障或不能運行，或者失準。 然后，系統(tǒng)使用該數(shù)據(jù)告知操作員潛在的問題，或者在啟動電機和造成潛在災難性損失之前自行做出明智決定。 此外，工程師能利用此特性制定預防措施 - 例如，在運行應用程序之前執(zhí)行“編碼器狀況良好”的測試序列。 這些能力是嚴格模擬編碼器所不具備的，可讓設計師盡可能縮短停機時間，并預測現(xiàn)場可能發(fā)生的裝置問題。

通過工業(yè)通信網(wǎng)絡可隨時監(jiān)控診斷數(shù)據(jù)，以提供有價值的性能趨勢，用于在發(fā)生故障前分析并預測運動控制系統(tǒng)內的故障。 由于編碼器所處的關鍵位置，即直接安裝在電機上，因此診斷數(shù)據(jù)不僅局限于單個編碼器的性能，還能作為運動控制系統(tǒng)其他問題的預警，如軸錯位、軸承磨損或熱降解。 通過仔細審查數(shù)據(jù)，可以受控方式對機器進行預防性維護，并在發(fā)生災難性故障前修復問題。 這樣可限制影響嚴重的停機時間，提高機器使用壽命并促進整體系統(tǒng)智能。

除了預測優(yōu)勢外，若意外出現(xiàn)現(xiàn)場故障，板載診斷數(shù)據(jù)還可用于加速故障排除過程。 獲得這些寶貴的編碼器診斷能力讓維修技術人員能排除編碼器問題或者確定編碼器或電機可能存在問題，從而快速鎖定故障根源。 這樣可消除耗時、昂貴、容易出錯的試驗過程，不必從系統(tǒng)上拆除和更換編碼器和電機。 由于機器停機會造成生產(chǎn)率損失，因而其本身代價非常高；加上現(xiàn)場技術人員維修機器的費用，更是雪上加霜。 因此，具有編碼器診斷能力，以加快故障排除和維修過程，這將顯著節(jié)省成本，并最大程度降低現(xiàn)場故障的影響。

來自編碼器的診斷數(shù)據(jù)也可大幅節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)流程的時間。 作為工程師，我寧愿相信，我的所有設計一開始就能完美工作。 不過，事情并非總是一帆風順。 在測試過程中，我將不可避免地發(fā)現(xiàn)設計問題；通常問題原因并不顯而易見，并且似乎有無窮無盡的變化因素。 這就要啟動故障排除流程，以確定為什么設備不能按預期運行。 而診斷數(shù)據(jù)可以加速這一流程，并快速定位需要改進的設計領域，無形中避免了數(shù)天或數(shù)周的調查。 這些節(jié)省不僅可縮短設計周期，帶來更穩(wěn)定的產(chǎn)品，還會加快上市時間。

CUI 的革命性 AMT11 增量系列和 AMT31 換相系列是首款集成這些診斷能力的旋轉編碼器。 通過使用 AMT Viewpoint? 軟件或簡單串行命令，CUI 將有價值的診斷數(shù)據(jù)交付到機器設計師手中。 這些小型裝置直徑 37 mm，厚 10 mm，在 +5 V 單電源下工作，可提供各種從 48 到 4096 ppr 的編程分辨率選擇，為所有 BLDC 極對配置提供換相信號。 根據(jù)應用需求，除了軸向和徑向連接方向外，這兩種系列都提供有單端或差分輸出選項。 為了提高耐久性，堅固耐用的 AMT 編碼器的工作溫度范圍從 -40°C 到 105°C。

圖 3：CUI 的 AMT Viewpoint GUI 能讓用戶設定多個編碼器參數(shù)，并獲取診斷數(shù)據(jù)。

雖然無法完全消除停機時間，但診斷數(shù)據(jù)目前越來越多地用于機器設計中，這也極大降低了機器故障率，同時提高了恢復速度，使這些情況變得不再棘手。 在 M2M 系統(tǒng)中，編碼器從模擬過渡到數(shù)字組件，這也帶來了全新的可能性。 從這些關鍵診斷數(shù)據(jù)中獲得洞察力也證明了之前提到的名言 - “知識就是力量”。