账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
卓越的编码器技术满足不妥协工业环境应用之要求
 

【作者: Simon Duggleby】2019年08月05日 星期一

浏览人次:【1516】
  

在当下运动控制系统中,旋转编码器起着非常关键之作用,它们能够允许即时跟踪旋转运动,从而获得准确的回??资料,并确保最隹的长期运作性能。这些产品的应用范围涵盖了广泛而多样的未来应用,现在已经用於许多不同系统,包括工业驱动、工厂自动化设备、机器人等。


这些应用场景之基本特徵意味着指定的编码器需要在最苛刻的环境中操作,并且能够应对日复一日具有挑战性的运作条件。这些应用将不得不面对极端温度和振动,以及可能影响其运作的各种司空见惯的其他因素。为了减轻这些不利影响,工程师确实需要重新审视编码器的选择标准,且需要抛弃以往对於该技术的传统考量方法。


旋转编码器的主要功能与马达控制有关。无刷直流(BLDC)马达在过去几十年中越来越受欢迎,能够实现更紧凑的马达系统(具有更高的扭矩━品质比),同时具有更高的能效(符合越来越严格的环保要求),并具有更高速度、更高可靠性和更低杂讯。


同样的,步进马达采用与BLDC相同原理,但它们的运动分为几个不同的步骤。这些装置能够提供相当大扭矩,并且业界证明非常经济实惠。然而,BLDC/步进马达操作仰仗於闭环位置控制,以便能够正确地输送驱动马达所需功率,需要不断地得到精确的速度和位置资料,这就是编码器的用武之地。


马达控制越准确,系统的效率就越高,从而能够降低运作成本,或者能够使电池供电的硬体设备保持更长运作时间。因此,选择合适的编码器解决方案至关重要。已有的旋转编码器仰仗於两种广泛使用的编码技术中的一种,即基於光学和基於磁性的编码技术。


这两种技术中的每一个都有自己独特的细微差别,各自具有一定的优势,但也有一些不足,工程师在做出关键设计决策时需要注意这些不足之处。下面我们对这两种技术做一些更详细分析。


光学编码

对於利用该方法的编码器,光(通常是在红外频段)从LED(或多个LED)发射,并穿过已配置有凹槽(光栅)的光栅盘,这些凹槽以预先设定的间隔配置,并符合特定的应用要求。


当光栅盘旋转时,光脉冲由LED对侧的光电二极体接收,并产生电讯号。由於这些编码器利用了光学特性,完全仰仗於无阻碍的光线传输过程。而随着时间的推移,污垢、灰尘或油脂等积聚可能对其运作效率产生重大影响,凹槽的完整性也会变差。虽然可以采用一些机构来对抗污垢/灰尘影响(例如在设备周边放置一些所需的外壳),但这些将带来额外的成本。此外,它们还可能导操作温度和湿度水准升高,这又可能对系统可靠性产生不利影响。


还应考量LED器件的操作寿命,通常需要18个月到2年时间进行LED器件更换,这将导致维护人员的费用,并且会在工厂生产线或加工厂操作正在进行时可能产生停工。光栅盘也可能容易出问题,因为这些光栅盘通常采用塑胶架构,以降低成本,但随着时间的推移,它们的形状会因长时间暴露於高温而变形。


磁编码

相较於光学编码器,磁编码器具有某些完全不同的属性。磁编码器不是仰仗光的发射,而是采用磁场。这种设置中的光栅盘是采用磁化盘,在它旋转时会导致磁场变化,这些改变由磁感测器感测,然後汇出讯号。虽然这种方法相较光学编码器具有更高的机械强度,并且支援更长的使用寿命,但也存在一些不容忽视的缺点。


磁编码器不能达到与光学编码器类似的精度,在需要高精度之状况下可能会出现问题。此外,正如所料,它们易受电磁干扰(EMI)影响,而且这种干扰状况很可能出现在工业环境中,其中包含一些重型机械设备。最後,与光学编码器一样,无法支援特别宽泛的温度范围。它们在精度、EMI干扰等方面的缺陷意味着磁编码器只能适合於相当局限的应用范畴。


要计画实现一种既可长时间运作又能够保持高精度的旋转编码器解决方案,若采用上述讨论过的编码器机构基本不可能。这为业界提供了探索新替代方案的动力,导致CUI公司的技术人员研究使用电容技术的前景,目的是将光学编码技术的准确性和磁编码的耐久性整合在一起。



图1 : 电容式编码器的原理图。
图1 : 电容式编码器的原理图。

CUI公司的AMT系列坚固、高精度模组化编码器基於电容技术,因此能够克服光学和磁编码装置中固有操作不足。它们包括以下元件:发射器,接收器和光栅盘(固定到马达的旋转轴),将它们分开。发射器发出一个讯号,随後由光栅盘调变,其操作原理是当磁片的方位改变时,将产生电容的改变。接收器接收调变讯号并(使用复杂电子设备)将其转换为可用於控制马达的输出。


由於这些编码器是数位编码器(而不是像光学或磁编码器一样为类比编码器),因此它们为系统设计提供了更大的灵活性━可以根据不同解析度,马达尺寸和极数(pole count)而进行程式。AMT编码器比其他解决方案更容易部署,例如在BLDC环境中,它们不需要复杂的对齐过程,而通常状况下需要反向驱动马达,并透过示波器侦测产生的反电动势输出讯号,然後进行机械调整以获得最隹匹配。


因此,AMT编码器可以显着节省时间(该过程只需要几秒钟,而不是20分钟),并确保更精确的对齐(这将反过来提高效率),同时只需要极少的工程操作(具有明显的成本效益)。这些编码器不会受到光学编码解决方案常见的污垢/灰尘问题等影响。此外,它们支援宽温度范围,从摄氏-40度~+125度。


这些编码器具有增量式(incremental)、绝对式和换向型(commutation)等型号,每个编码器都包含一个MCU和一个客制ASIC,可以进行准确的资料获取和处理。ASIC的诊断功能可确保编码器保持以最隹性能运作,并在任何运作中断之前,能够帮助用户识别可能出现的潜在问题,这是市面上其他编码器所无法做到的。



图2 : CUI公司的AMT系列电容式编码器。
图2 : CUI公司的AMT系列电容式编码器。

即便在最高解析度下运作,AMT系列编码器通常也只消耗6mA电流,而光学编码器解决方案的电流消耗可能要大一个量级(大约50mA到80mA),磁编码器解决方案的电流消耗甚至更高(在120mA至150mA)。这些编码器中涉及的元件都能够持久运作,例如无需进行LED替换。编码器通常比马达本身寿命更长,因此没有更换成本。


表1:不同编码器技术之比较。

编码器类型

电容编码器

光学编码器

磁编码器

准确度水准

抗污垢/灰尘影响

运作温度范围

功率消耗

低 (6mA)

中 (>50mA)

高 (>120mA)

可程式

电磁相容能力

抗磁干扰能力

解析度范围


这些设备的使用寿命更长,实施时间大大缩短,这意味着相较於其他解决方案,能够大幅度降低工程师的总体拥有成本。适应性套筒允许AMT编码器安装到各种轴径,因此,无需在库存中储存不同的编码器型号,从而简化了库存管理并降低了相关成本。最後,可程式意味着除了能够在工厂中加速生产时程之外,还可以对编码器现场进行微调。


(本文作者任职於Mouser公司)


相关文章
工业机器人提升感测效能与价值 有赖与半导体业者深度整合
锁定新一代导弹制动系统的无电刷直流马达
无刷直流马达控制应对新挑战
选择不同心跳率侦测技术的工程师指南
Li-Fi:通向更高速率资料通讯之途径
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新闻
» 离岸风电发展需群策群力 绿色金融使力推动产业前进
» 大银微系统挂牌上市 力抗贸易战火再添生力军
» ?先进厂房-智联安全科技应用与管理研讨暨展示?9/25、9/27年度巡??开跑!
» 全球传动带头研发智慧螺杆 将串起关键零组件产业链
» 新代数控系统为核心 用联达智能平台加值
  相关产品
» 贸泽电子供货Panasonic超低功耗PAN1762蓝牙低功耗5模组
» 贸泽供货Texas Instruments LMK05318网路时脉同步器 内建BAW谐振器
» 贸泽开始供应Maxim DS2477安全I2C协同处理器 可提供验证与实体安全性
» 贸泽供货TI DACx1416高电压数位类比转换器
» 贸泽电子4月新品精选 抢先引进新产品的全球代理商

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw