如何提高逆變器和電機驅動系統(tǒng)的性能？

　　從定速電機轉向帶位置和電流反饋的變速電機提供了一條節(jié)省大量流程和能源的途徑。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。它還回答了一些關鍵問題，比如什么樣的編碼器性能指標對我的系統(tǒng)最重要。將討論編碼器應用中使用的電子產(chǎn)品的主要未來趨勢，包括機器健康監(jiān)控、智能和魯棒的長壽命檢測。最后，我們將解釋為什么完整的信號鏈設計對于設計下一代電機編碼器至關重要。

　　電機編碼器性能指標、趨勢和電子學

　　閱讀完本文后，您應該能夠回答以下關鍵問題：

　　什么是編碼器，它如何提高我的逆變器和電機驅動系統(tǒng)的性能？

　　什么樣的編碼器性能指標對我的系統(tǒng)最重要？閱讀本文后，您將了解如何將編碼器分辨率、精度和重復性規(guī)格與電機和機器人系統(tǒng)相匹配

　　編碼器常用的電子器件有哪些，未來趨勢如何？閱讀本文后，您將了解機器健康監(jiān)控、邊緣智能、魯棒檢測和高速連接如何支持未來的編碼器設計。

　　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)電機到逆變器驅動電機一直在穩(wěn)步發(fā)展。這已經(jīng)是并將繼續(xù)是工業(yè)旋轉設備的一個重大轉變，通過更高效地使用電機和終端設備，實現(xiàn)了巨大的流程和能源節(jié)約。變速驅動和伺服驅動系統(tǒng)的電機控制性能更高，為要求最苛刻的應用提供了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電流/電壓閉環(huán)反饋，電機性能和效率得到了提高。

　　通過在逆變器中使用脈寬調(diào)制向電機施加可變頻率電壓，電機的開環(huán)速度控制是可能的。在穩(wěn)態(tài)或緩慢變化的動態(tài)條件下，這種方法相當有效，許多低性能應用中的電機驅動采用開環(huán)速度控制，不需要編碼器。然而，這種方法有幾個缺點：

　　由于沒有反饋，速度精度受到限制

　　由于電流控制無法優(yōu)化，電機效率很低

　　瞬態(tài)響應必須嚴格限制，以使電機不會失去同步

　　圖一。閉環(huán)電機控制反饋系統(tǒng)。

　　什么是位置編碼器？

　　編碼器通過跟蹤旋轉軸速度和位置來提供閉環(huán)反饋信號。光學和磁性編碼器是使用最廣泛的技術，如圖2所示。在通用伺服驅動器中，編碼器用于測量軸的位置，并由此得出驅動器的轉速。在機器人和離散控制系統(tǒng)中，需要精確且可重復的軸位置。光學編碼器由帶有精細光刻槽的玻璃盤組成。光電二極管傳感器檢測光線穿過光盤或被光盤反射時的變化。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。磁性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，并經(jīng)過放大和數(shù)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

　　通電后，絕對單圈編碼器返回機械或電氣360°內(nèi)的絕對位置?？梢粤⒓醋x取電機軸的位置。絕對多圈編碼器包括絕對功能和計數(shù)360圈的數(shù)量。相反，增量編碼器提供相對于旋轉起始點的位置。增量編碼器提供一個指示0的索引脈沖和一個計數(shù)轉數(shù)的單脈沖或一個給出方向信息的雙脈沖。

　　圖二。（a）光學編碼器和（b）磁性編碼器。

　　編碼器的分辨率是電機軸每旋轉360°可以區(qū)分的位置數(shù)量。一般來說，最高分辨率編碼器使用光學技術，而中等分辨率/高分辨率編碼器使用磁性或光學傳感器。分解器（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(diào)節(jié)。大多數(shù)光學編碼器都是增量式的。編碼器可重復性是一個關鍵的性能指標，也是衡量編碼器返回到相同指令位置的一致性的指標。這對于重復性任務至關重要，例如PCB制造過程中用于半導體貼裝的機器人或拾放機。

　　圖3。編碼器類型。

　　表1。編碼器關鍵性能指標

　　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工業(yè)中普遍使用的自動化機器。為了提高加工效率，需要具有高精度和可重復性的機器或機器人。使用高性能電機編碼器可實現(xiàn)精確度、可重復性和效率。

　　圖4展示了機器人技術中的編碼器用例。電機通過精密減速齒輪箱驅動機械臂的每個關節(jié)。機器人關節(jié)角度通過安裝在電機上的精密軸角編碼器（θm）和通常附加的臂裝編碼器（θj）。

　　對于機器人，數(shù)據(jù)手冊中列出的主要性能規(guī)格是可重復性，通常數(shù)量級為亞毫米級。通過了解重復性規(guī)格和機器人范圍，您可以推斷回旋轉編碼器規(guī)格。

　　圖4。電機編碼器（θm）和關節(jié)編碼器（θj）處的角度重復性，以及機器人的伸出距離（L）。

　　關節(jié)編碼器所需的角度可重復性（θ）可以從三角法中推導出來：機器人可重復性的tan倒數(shù)除以reach。

　　多個關節(jié)結合在一起，實現(xiàn)整個機器人的范圍。傳感器應該具有比目標角度精度更高的性能。每個關節(jié)的可重復性規(guī)格必須提高，這里假設提高了10倍。對于電機編碼器，可重復性由齒輪箱比率（G）定義。

　　例如，表2所示的機器人系統(tǒng)，關節(jié)編碼器需要20位至22位的可重復性規(guī)格，而電機編碼器則需要14位至16位分辨率。

　　表二。編碼器重復性和機器人重復性規(guī)范

　　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支持這些趨勢的技術。

　　圖5。編碼器的發(fā)展趨勢以及支持這些趨勢的技術。

　　Rockwell1對伺服驅動器、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)器每年增長20%。支持雙線100 Mbps通信的單對以太網(wǎng)（SPE）收發(fā)器（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，目標為≤1.5 s。這種低延遲將支持更快的反饋數(shù)據(jù)采集和更快的控制回路響應時間。

　　機器人和旋轉機器（如渦輪機、風扇、泵和電機）的基于狀態(tài)的監(jiān)控（CbM）記錄與機器健康和性能相關的實時數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)有針對性的預測性維護和優(yōu)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，可以降低生產(chǎn)停工的風險，從而提高可靠性、顯著節(jié)約成本并提高工廠的生產(chǎn)率。使用置于編碼器中的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(jīng)有布線、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(fā)送到伺服系統(tǒng)的MEMS振動數(shù)據(jù)可以用來實時優(yōu)化系統(tǒng)性能。

　　使用CbM延長工業(yè)資產(chǎn)的使用壽命可以通過耐用的長壽命位置傳感器來補充。磁傳感器產(chǎn)生模擬輸出，指示周圍磁場的角位置，可以用來代替光學編碼器。磁性編碼器可用于濕度較高、灰塵較多的區(qū)域。這些惡劣的環(huán)境損害了光學解決方案的性能和壽命。

　　對于機器人和其他應用，機械系統(tǒng)的位置必須總是已知的，即使在斷電的情況下。與標準機器人、cobots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操作中突然斷電后重新連接和初始化加電所需的停機時間。ADI公司開發(fā)的磁性多匝存儲器［2］無需外部電源即可記錄外部磁場的轉數(shù)。這導致系統(tǒng)尺寸和成本的減小。

　　對于機器人和協(xié)作機器人，電機編碼器和關節(jié)編碼器通常需要16位至18位ADC性能，某些情況下需要22位ADC。一些光學絕對位置編碼器也需要最高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）、光學和旋變編碼器的編碼器信號鏈。這些組件分為五個主要類別：

• 　　使用磁性傳感器跟蹤軸的位置和速度（AMR，Hall）
• 　　機器健康監(jiān)控
• 　　MEMS傳感器
• 　　溫度傳感器
• 　　智力
• 　　集成/不集成ADC的微控制器
• 　　旋變數(shù)字轉換器（RDC）
• 　　電纜接口
• 　　高速RS-485/RS-422收發(fā)器
• 　　SPI至RS-485擴展器收發(fā)器
• 　　信號波形加工
• 　　高性能ADC（12位至24位分辨率）
• 　　磁性編碼器（AMR）

　　在基于磁性的位置傳感器領域，AMR傳感器提供了魯棒性和準確性的最佳組合。如圖6所示，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很敏感，不像霍爾技術對磁場強度很敏感。由此帶來的優(yōu)勢是，傳感器對系統(tǒng)中的氣隙和機械公差變化非常寬容。此外，由于AMR傳感器沒有工作磁場上限，當在高磁場下工作時，傳感器對雜散磁場非常魯棒。

　　這ADA4571是一款AMR傳感器，具有低延遲集成信號調(diào)理功能，并提供單端模擬輸出。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°），工作速度最高可達50k rpm。ADA4571-2是雙通道版本，在安全關鍵型應用中提供完全冗余，而不會影響性能。

　　這ADA4570是AAD4571的衍生產(chǎn)品，性能相同，但具有差分輸出，適用于更惡劣的環(huán)境。ADA457x系列具有高角度精度和可重復性，可改善閉環(huán)控制，降低電機扭矩紋波和噪聲。單芯片架構提高了可靠性，減小了尺寸和重量，與競爭技術相比更易于集成。

　　信號調(diào)理和電源

　　這AD73804 MSPS雙通道同步采樣、16位SAR ADC提供許多系統(tǒng)級優(yōu)勢，包括節(jié)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吞吐速率確保捕捉到詳細的正弦和余弦周期，并且編碼器位置是最新的。高吞吐速率支持片內(nèi)過采樣，從而減少數(shù)字ASICs或微控制器向電機提供精確編碼器位置的時間損失。AD7380片內(nèi)過采樣的另一個好處是，它允許額外的2位分辨率，可以很容易地與片內(nèi)分辨率提升特性一起使用。應用筆記AN-2003［3］詳細介紹了AD7380的過采樣和分辨率提升特性。V星人抄送和V驅動器ADC的和放大器驅動器的供電軌可以由LDO調(diào)節(jié)器供電，如LT3023。多路輸出低噪聲LDO，如ADP320、LT3023和LT3029 can be used to power all components in the signal chain.

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

　　這AD2S1200將來自旋變器的信號轉換為數(shù)字角度/角速率。圖10顯示了旋變信號鏈。兩個放大器用來創(chuàng)建一個三階巴特沃茲低通濾波器，將旋變信號傳遞給AD2S1200。涉及電路筆記CN0276 了解更多信息。。”［5］

　　為了節(jié)省空間和降低設計復雜性

　　LTC4332建議使用SPI擴展器。LTC4332支持系統(tǒng)分區(qū)，提供將微控制器置于伺服系統(tǒng)而非編碼器的選項。如果微控制器需要時，MAX32672 SPI接口可以用作AD2S1200的直接鏈路，ADM3065E RS-485收發(fā)器可以代替LTC4332使用。?如果使用LTC4332，AD2S1200 SPI輸出將轉換為穩(wěn)定的差分現(xiàn)場總線接口。LTC4332包括三條附屬選擇線，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。?表6。旋變編碼器信號鏈推薦元件

　　AD8694、AD8692、AD8397

　　收發(fā)器（SPI/RS-485、RS-485）

　　這LTC4332、ADM3065E旋轉變壓器數(shù)字轉換器g AD2S1200、AD2S1205、AD2S1210

　　這結論ADI公司深厚的專業(yè)知識和先進的技術幫助合作伙伴設計未來的工業(yè)電機編碼器和網(wǎng)絡。利用小巧而強大的微控制器、ADXL371 MEMS和ADT7320溫度傳感器，可以輕松將資產(chǎn)健康洞察集成到編碼器中。與光學或旋變檢測解決方案相比，ADI公司業(yè)界領先的AMR磁傳感器（如ADA4571）可提高可靠性、減小尺寸和重量，并且更易于集成到編碼器中。利用AD7380或AD7760等中高端ADC，可以實現(xiàn)取放機和機器人的高精度和高重復性。

　　審核編輯：黃飛