如何为新一代可持续应用设计电机编码器

阅读本文后，您应该能够回答以下关键问题：

什么是编码器，它如何提高逆变器和电机驱动系统的性能？

哪些编码器性能指标对特定系统最重要？阅读本文后，您将了解如何使编码器的分辨率、精度和可重复性规格与电机和机器人系统规格相匹配。

编码器常用的电子元件有哪些，未来的发展趋势是什么？阅读本文后，您将了解设备健康监测、边缘智能、稳定可靠的检测和高速连接如何支持未来的编码器设计。

将变频电压施加于逆变器采用脉冲宽度调制的电机，可以实现对电机的开环速度控制。在稳态或缓慢变化的动态条件下，这将相当有效，并且较低性能应用中的许多电机驱动器采用开环速度控制，而不需要编码器。但是，这种方法有几个缺点：

由于无法优化电流控制，电机效率很低

必须严格限制瞬态响应，以免电机丧失同步

单圈绝对值编码器在通电后会返回机械或电气360°范围内的绝对位置信号。电机轴的位置可以立即读取。多圈绝对值编码器不仅具有绝对位置功能，而且能提供360°圈数计数。相比之下，增量编码器提供相对于旋转起点的位置。增量编码器提供一个索引脉冲来指示0°，并提供一个单脉冲来计数圈数，或提供一个双脉冲来提供方向信息。

图2.(a)光学编码器，(b)磁编码器

编码器的分辨率是指电机轴旋转360°时可以区分的位置数量。通常，最高分辨率的编码器使用光学技术，而中高分辨率的编码器使用磁或光学传感器。中低分辨率编码器使用旋变器（旋转变压器）或霍尔传感器。光学或磁编码器使用高分辨率信号调理。大多数光学编码器是增量式的。编码器可重复性是一项关键性能指标，用于衡量编码器返回到同一指令位置的一致性。这对于重复性任务至关重要，例如在PCB制造过程中，放置半导体所用的机器人或贴片机须具有良好的可重复性。

图3.编码器类型

指标

定义

备注

分辨率

编码器每转可区分的位置数(n)

高分辨率：16位至24位中分辨率：13位至18位低分辨率：12位

绝对精度

旋转一圈后实际位置与报告位置之间的差异（类似于INL）

位置控制应用依赖绝对精度

差分精度

两个相邻位置之间报告的距离与理想距离之差（类似于DNL）

速度控制应用依赖差分精度

可重复性

编码器返回到同一指令位置的一致性

可重复性对于重复性任务很重要，例如涉及机器人的任务

贴片机/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。为了提高工艺效率，需要具有高精度和可重复性的机器或机器人。使用高性能电机编码器可实现高精度、可重复性和高效率。

图4展示了机器人中的编码器应用案例。电机通过精密减速变速箱驱动机器臂中的每个关节。机器人关节角度通过电机上安装的精密轴角编码器(θm)和机器臂上安装的附加编码器(θj)来测量。

对于机器人，数据手册上列出的主要性能规格是可重复性，其数量级通常在亚毫米级。在了解可重复性规格和机器人的作用范围之后，就可以推断旋转编码器的规格。

图4.电机编码器(θm)和关节编码器(θj)的角度可重复性，以及机器人作用范围(L)

关节编码器所需的角度可重复性(θ)可从三角函数得出：机器人可重复性除以作用范围的反正切。

多个关节结合起来可实现机器人的整体作用范围。传感器应具有比目标角度精度更高的性能。必须改善每个关节的可重复性规格，这里假设改进10倍。对于电机编码器，可重复性由齿轮比(G)定义。

例如，对于表2所示的机器人系统，关节编码器需要20位到22位的可重复性规格，而电机编码器需要14位到16位的分辨率。

机器人系统

机器人1

机器人2

假定齿轮比，G

100

可重复性规格

±0.05mm

±0.01mm

作用范围，L

1.30m

1.10m

编码器可重复性规格

θ

0.0022°

0.0005°

θj/101

0.00022°（~20位）

0.00005°（~22位）

θm=θj×G

0.02°（~14位）

0.005°（~16位）

1由于机器人作用范围由多个关节共同体现，因此单个编码器必须具有更高的精度才能实现整体系统精度。

图5说明了编码器的未来发展趋势和实现这些趋势的技术。

图5.编码器发展趋势和实现这些趋势的技术

使用CbM并结合稳健且寿命更长的位置传感器，可以延长工业资产的使用寿命。磁传感器产生指示周围磁场角位置的模拟输出，可以代替光学编码器。磁编码器可用于湿度较高、污垢严重和灰尘较大的区域。这些恶劣的环境会影响光学解决方案的性能和使用寿命。

对于机器人和其他应用，必须始终清楚机械系统的位置，哪怕在断电的情况下也要明确知晓。标准机器人、协作机器人和其他自动化装配设备在运行过程中突然断电后，需要重新归位并初始化电源，这些停机时间会带来一定的相关成本并导致效率低下。由ADI公司开发的磁性多圈存储器2不需要外部电源也能记录外部磁场的旋转次数，因而可以减小系统尺寸并降低成本。

对于机器人和协作机器人，电机编码器和关节编码器通常需要16位至18位ADC性能，在某些情况下需要22位ADC。有些光学绝对位置编码器也需要高达24位分辨率的高性能ADC。

图6、图7、图8和图9展示了磁性（各向异性磁阻(AMR)和霍尔技术）、光学和旋变编码器的编码器信号链。主要元件分为五大类：

1.使用磁传感器（AMR、霍尔）跟踪轴位置和速度

2.设备健康状况监测

传感器

b.温度传感器

3.智能

a.带/不带集成ADC的微控制器

b.旋变数字转换器(RDC)

4.电缆接口

a.高速RS-485/RS-422收发器

转RS-485扩展器收发器

5.信号调理

a.高性能ADC（12位至24位分辨率）

在磁位置传感器应用领域，AMR传感器兼具稳定可靠的性能和高精度。如图6所示，传感器通常位于安装在电机轴上的偶极磁体对面。

图6.AMR传感器系统

AMR传感器对磁场方向变化很敏感，而霍尔技术对磁场强度很敏感。所以传感器对系统中的气隙和机械公差变化具有很强的容忍度，这一点很有优势。此外，AMR传感器的工作磁场没有上限，因此，这种传感器在高磁场下工作时几乎不受杂散磁场的影响。

ADA4571是一款低延迟集成信号调理功能的AMR传感器，提供单端模拟输出。ADA4571单芯片解决方案提供良好的角度精度（典型角度误差仅为0.10度），工作速度可高达50krpm。ADA4571-2是双通道版本，可提供完全冗余能力而不影响性能，适合安全关键型应用。

ADA4570是AAD4571的衍生产品，具有相同的性能，但提供差分输出，适用于更恶劣的环境。ADA457x系列提供的高角度精度和可重复性改善了闭环控制，降低了电机扭矩纹波和噪声。与竞争技术相比，单芯片架构提高了可靠性，减小了尺寸和重量，并且更易于集成。

ADM3066ERS-485收发器具备超低的发送器和接收器偏斜性能，所以非常适合用于传输精密时钟，等电机控制标准通常要求精密时钟。事实证明，ADM3065E在电机控制应用中采用典型电缆长度的确定性抖动小于5%。ADM3065E具有较宽的电源电压范围，因此这种时序性能水平也可用于需要3.3V或5V收发器电源的应用。有关更多信息，请参阅技术文章“利用现场总线提升速度，扩大覆盖范围”5。

对于需要12位或更低分辨率的应用，可以用集成ADC的微控制器来代替AD7380ADC。小巧的MAX32672超低功耗Arm®Cortex®-M4F微控制器包含一个12位1MSPSADC，具有增强的安全性、外设和电源管理接口。

图7.磁编码器(AMR)信号链

ADXL371是一款超低功耗、3轴、数字输出、±200g微机电系统(MEMS)加速度计，适用于机器监控。ADXL371性价比高，采用小型3mm×3mm封装，工作温度高达+105°C。在即时导通模式下，ADXL371消耗1.7μA的电流，同时能持续监测环境影响。当检测到冲击事件超过内部设定的阈值时，器件会切换到正常工作模式，其速度非常快以便记录事件。

ADT7320是一款高精度数字温度传感器，无需用户校准或校正，具有出色的长期稳定性和可靠性。ADT7320的额定工作温度范围为-40°C至+150°C，采用小型4mm×4mmLFCSP封装。

元件

推荐产品型号

MEMS加速度计

ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375

温度传感器

ADT7320

电源（LDO稳压器）

ADP320、LT3023、LT3029

ADC，12位、16位SAR

MAX11198、AD7380、AD7866

AMR磁传感器

ADA4570、ADA4571、AD4571-2

双通道比较器

LTC6702

收发器（RS-485、RS-422）

MAX22506E、ADM3066E、ADM4168E、MAX22500E

微控制器，集成ADC

MAX32672、MAX32662

光学编码器信号链元件与磁编码器(AMR)部分介绍的元件几乎相同。但是，为了支持更高的编码器分辨率，建议使用、24位、100dBΣ-ΔADC。它融合了宽输入带宽、高速特性和Σ-Δ转换技术的优势，2.5MSPS时信噪比(SNR)可达100dB，因此非常适合高速数据采集应用。

图8.磁编码器（霍尔）信号链

图9.光学编码器信号链

元件

推荐产品型号

MEMS加速度计

ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375

温度传感器

ADT7320

电源(LDO)

ADP320、LT3023、LT3029

ADC，12位、16位、24位

MAX11198、AD7380、AD7866、AD7760

精密运算放大器

ADA4622-4

双通道比较器

LTC6702

收发器（RS-485、RS-422）

MAX22506E、ADM3066E、ADM4168E、MAX22500E

微控制器，集成ADC

MAX32672、MAX32662

旋变编码器具有一些优点，例如较高的机械可靠性和高精度；但与磁体和ADA4571相比，旋变器价格昂贵。

AD2S1200将来自旋变器的信号转换为数字角度或角速率。图10显示了旋变器信号链。两个放大器用于创建三阶巴特沃斯低通滤波器，以将旋变器信号传递到AD2S1200。有关更多信息，请参阅电路笔记CN0276。

为节省空间并降低设计复杂性，建议使用LTC4332SPI扩展器。LTC4332支持系统分区，提供了将微控制器置于伺服器中而非编码器中的选项。如果编码器需要微控制器，可以使用MAX32672SPI接口直接连接AD2S1200，并且可以用ADM3065ERS-485收发器代替LTC4332。

如果使用LTC4332，AD2S1200SPI输出会转换为稳健的差分现场总线接口。LTC4332包括三条从机选择线，因此MEMS和温度传感器等额外传感器可以与AD2S1200连接到同一条总线上。

元件

推荐产品型号

MEMS加速度计

ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375

温度传感器

ADT7320

电源（LDO稳压器）

ADP120、ADP220、ADP320、LT3023、LT3029、LT3024、LT3027

精密运算放大器

AD8694、AD8692、AD8397

收发器（SPI/RS-485、RS-485）

LTC4332、ADM3065E

旋变数字转换器

AD2S1200、AD2S1205、AD2S1210

ADI公司利用其深厚的领域专业知识和先进技术，帮助合作伙伴设计未来工业电机编码器和网络。利用小巧而强大的微控制器、ADXL371MEMS加速度计和ADT7320温度传感器，可以轻松地将资产健康洞察能力集成到编码器中。与光学或旋变器检测解决方案相比，ADI公司先进的AMR磁传感器（例如ADA4571）提高了可靠性，减小了尺寸和重量，并且更易于集成到编码器中。采用AD7380或AD7760等中高端ADC可实现贴片机和机器人所需的高精度和可重复性。

图10.旋变编码器信号链