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卓越的編碼器技術滿足不妥協工業環境應用之要求
 

【作者: Simon Duggleby】   2019年08月05日 星期一

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在當下運動控制系統中,旋轉編碼器起著非常關鍵之作用,它們能夠允許即時跟蹤旋轉運動,從而獲得準確的回饋資料,並確保最佳的長期運作性能。這些產品的應用範圍涵蓋了廣泛而多樣的未來應用,現在已經用於許多不同系統,包括工業驅動、工廠自動化設備、機器人等。


這些應用場景之基本特徵意味著指定的編碼器需要在最苛刻的環境中操作,並且能夠應對日復一日具有挑戰性的運作條件。這些應用將不得不面對極端溫度和振動,以及可能影響其運作的各種司空見慣的其他因素。為了減輕這些不利影響,工程師確實需要重新審視編碼器的選擇標準,且需要拋棄以往對於該技術的傳統考量方法。


旋轉編碼器的主要功能與馬達控制有關。無刷直流(BLDC)馬達在過去幾十年中越來越受歡迎,能夠實現更緊湊的馬達系統(具有更高的扭矩-品質比),同時具有更高的能效(符合越來越嚴格的環保要求),並具有更高速度、更高可靠性和更低雜訊。


同樣的,步進馬達採用與BLDC相同原理,但它們的運動分為幾個不同的步驟。這些裝置能夠提供相當大扭矩,並且業界證明非常經濟實惠。然而,BLDC/步進馬達操作仰仗於閉環位置控制,以便能夠正確地輸送驅動馬達所需功率,需要不斷地得到精確的速度和位置資料,這就是編碼器的用武之地。


馬達控制越準確,系統的效率就越高,從而能夠降低運作成本,或者能夠使電池供電的硬體設備保持更長運作時間。因此,選擇合適的編碼器解決方案至關重要。已有的旋轉編碼器仰仗於兩種廣泛使用的編碼技術中的一種,即基於光學和基於磁性的編碼技術。


這兩種技術中的每一個都有自己獨特的細微差別,各自具有一定的優勢,但也有一些不足,工程師在做出關鍵設計決策時需要注意這些不足之處。下面我們對這兩種技術做一些更詳細分析。


光學編碼

對於利用該方法的編碼器,光(通常是在紅外頻段)從LED(或多個LED)發射,並穿過已配置有凹槽(光柵)的光柵盤,這些凹槽以預先設定的間隔配置,並符合特定的應用要求。


當光柵盤旋轉時,光脈衝由LED對側的光電二極體接收,並產生電訊號。由於這些編碼器利用了光學特性,完全仰仗於無阻礙的光線傳輸過程。而隨著時間的推移,污垢、灰塵或油脂等積聚可能對其運作效率產生重大影響,凹槽的完整性也會變差。雖然可以採用一些機構來對抗污垢/灰塵影響(例如在設備周邊放置一些所需的外殼),但這些將帶來額外的成本。此外,它們還可能導操作溫度和濕度水準升高,這又可能對系統可靠性產生不利影響。


還應考量LED器件的操作壽命,通常需要18個月到2年時間進行LED器件更換,這將導致維護人員的費用,並且會在工廠生產線或加工廠操作正在進行時可能產生停工。光柵盤也可能容易出問題,因為這些光柵盤通常採用塑膠架構,以降低成本,但隨著時間的推移,它們的形狀會因長時間暴露於高溫而變形。


磁編碼

相較於光學編碼器,磁編碼器具有某些完全不同的屬性。磁編碼器不是仰仗光的發射,而是採用磁場。這種設置中的光柵盤是採用磁化盤,在它旋轉時會導致磁場變化,這些改變由磁感測器感測,然後匯出訊號。雖然這種方法相較光學編碼器具有更高的機械強度,並且支援更長的使用壽命,但也存在一些不容忽視的缺點。


磁編碼器不能達到與光學編碼器類似的精度,在需要高精度之狀況下可能會出現問題。此外,正如所料,它們易受電磁干擾(EMI)影響,而且這種干擾狀況很可能出現在工業環境中,其中包含一些重型機械設備。最後,與光學編碼器一樣,無法支援特別寬泛的溫度範圍。它們在精度、EMI干擾等方面的缺陷意味著磁編碼器只能適合於相當局限的應用範疇。


要計畫實現一種既可長時間運作又能夠保持高精度的旋轉編碼器解決方案,若採用上述討論過的編碼器機構基本不可能。這為業界提供了探索新替代方案的動力,導致CUI公司的技術人員研究使用電容技術的前景,目的是將光學編碼技術的準確性和磁編碼的耐久性整合在一起。



圖1 : 電容式編碼器的原理圖。
圖1 : 電容式編碼器的原理圖。

CUI公司的AMT系列堅固、高精度模組化編碼器基於電容技術,因此能夠克服光學和磁編碼裝置中固有操作不足。它們包括以下元件:發射器,接收器和光柵盤(固定到馬達的旋轉軸),將它們分開。發射器發出一個訊號,隨後由光柵盤調變,其操作原理是當磁片的方位改變時,將產生電容的改變。接收器接收調變訊號並(使用複雜電子設備)將其轉換為可用於控制馬達的輸出。


由於這些編碼器是數位編碼器(而不是像光學或磁編碼器一樣為類比編碼器),因此它們為系統設計提供了更大的靈活性-可以根據不同解析度,馬達尺寸和極數(pole count)而進行程式。AMT編碼器比其他解決方案更容易部署,例如在BLDC環境中,它們不需要複雜的對齊過程,而通常狀況下需要反向驅動馬達,並透過示波器偵測產生的反電動勢輸出訊號,然後進行機械調整以獲得最佳匹配。


因此,AMT編碼器可以顯著節省時間(該過程只需要幾秒鐘,而不是20分鐘),並確保更精確的對齊(這將反過來提高效率),同時只需要極少的工程操作(具有明顯的成本效益)。這些編碼器不會受到光學編碼解決方案常見的污垢/灰塵問題等影響。此外,它們支援寬溫度範圍,從攝氏-40度~+125度。


這些編碼器具有增量式(incremental)、絕對式和換向型(commutation)等型號,每個編碼器都包含一個MCU和一個客制ASIC,可以進行準確的資料獲取和處理。ASIC的診斷功能可確保編碼器保持以最佳性能運作,並在任何運作中斷之前,能夠幫助用戶識別可能出現的潛在問題,這是市面上其他編碼器所無法做到的。



圖2 : CUI公司的AMT系列電容式編碼器。
圖2 : CUI公司的AMT系列電容式編碼器。

即便在最高解析度下運作,AMT系列編碼器通常也只消耗6mA電流,而光學編碼器解決方案的電流消耗可能要大一個量級(大約50mA到80mA),磁編碼器解決方案的電流消耗甚至更高(在120mA至150mA)。這些編碼器中涉及的元件都能夠持久運作,例如無需進行LED替換。編碼器通常比馬達本身壽命更長,因此沒有更換成本。


表1:不同編碼器技術之比較。

編碼器類型

電容編碼器

光學編碼器

磁編碼器

準確度水準

抗污垢/灰塵影響

運作溫度範圍

功率消耗

低 (6mA)

中 (>50mA)

高 (>120mA)

可程式

電磁相容能力

抗磁干擾能力

解析度範圍


這些設備的使用壽命更長,實施時間大大縮短,這意味著相較於其他解決方案,能夠大幅度降低工程師的總體擁有成本。適應性套筒允許AMT編碼器安裝到各種軸徑,因此,無需在庫存中儲存不同的編碼器型號,從而簡化了庫存管理並降低了相關成本。最後,可程式意味著除了能夠在工廠中加速生產時程之外,還可以對編碼器現場進行微調。


(本文作者任職於Mouser公司)


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