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你也许想不到,旋转编码器还可以这样设计

  新方法开启新机遇

  一直以来编码器用户都不愿意改变,因为一些声称可提供卓越性能和可靠性的创新电机控制技术,必须拥有出色的纪录和往绩来作为支持,才可以用于工作场地或工业装置。虽然光学编码器和磁编码器历史悠久,而且基于看似更具体的物理概念,但是电容式编码器亦是基于经过全面试验的原理,并且已经通过多年来在现场的成功实际应用中得到证明。这种不同于运动感测的数字式交替方法提供了许多益处,为利用旋转换向编码器的设计人员提供了全新的智能水平。

  旋转编码器对于几乎所有运动-控制应用来说都很关键,由于无刷直流电动机(BLDC)使用增加,使得旋转编码器的需求进一步扩大,而且提供了控制、精度和效率等方面的诸多益处。编码器的任务很简单,原则上就是:向系统控制器指示电机轴的位置,请参考图1.控制器可以利用这信息准确高效地给电机绕组转向以及确定速度、方向和加速,这些是运动控制回路维持电机性能要求所需要的参数。

图1 旋转编码器提供电机轴方向、位置、速度和加速信息

  编码器可以基于各种技术,这些技术提供标准的A和B正交信号数字输出,某些型号还提供索引输出,请参考图2a。换向编码器(下面将进行更全面的说明)还提供U、V和W换-相的信道输出,请参考图2b。

图2a 光学编码器标准A和B正交信号及索引信号

图2b 换向编码器产生的U、V和W波形

  编码器技术

  最著名的三种编码器方法分别基于光学技术、磁技术或电容技术。简单来说,光学技术采用带槽圆盘,一侧是LED,而光电晶体管在相对的一侧。当圆盘转动时,光程被阻断,得到的脉冲指示轴的转动和方向。虽然光学方法成本低且效率高,但是以下两个因素使得光学编码器的可靠性下降:污垢、灰尘和油脂等污染物会干扰光程,及LED的使用寿命有限,通常几年之内其亮度损失过半,最终被烧坏。

  除了利用磁场而非光束之外,磁编码器的结构与光学编码器类似。磁编码器用磁盘代替带槽光轮,磁盘在一组磁阻传感器上转动,在这些传感器中产生响应,传递给信号-调节前端电路,用于确定轴的位置。虽然这种编码器的耐用性较高,但是容易受到电机产生的电磁干扰影响,准确性不如光学编码器。

  第三种方法,即电容式编码方法,具有光学编码器和磁编码器的所有优点,但是却没有它们的缺点。这种技术利用的原理与成熟、低成本而且精密的数字游标卡尺相同。它具有两个柱状或线状型式,一个在固定元件上,另一个在运动元件上,两者一起形成了一个配置为发送器/接收器对的可变电容器,请参考图3.当编码器转动时,一体式ASIC对这些线的变化进行计数,并利用内插法寻找轴的位置和转动方向,建立标准的正交输出,以及其它编码器提供的换向输出,用于控制无刷直流(BLDC)电机。

  这种电容式技术的优点是不会磨损,不受工业环境中常见的灰尘、污垢和油脂等污染物质的影响,使其本质上比光学编码器更可靠。电容式编码器还具有其数字控制特征带来的性能优势,包括调节编码器分辨率的能力(脉冲/转数),不需要更换为分辨率更高或更低的编码器。

  最佳选择

  CUI全新AMT31系列是先进电容式编码器的典范,提供A和B正交信号、索引信号以及U、V和W换-相的信号。它在48-4096脉冲/转(PPR)之间具有20个可选递增分辨率,2-20之间共7个电机极-对。AMT31系列还具有锁定毂,使安装容易。它从5 V电源轨操作,仅需16 mA供电电流。

  但是,电容式编码器的益处远远不止卓越的性能、灵活性及短期和长期稳定性。与光学和磁编码器不同的是,电容式编码器的数字输出将系统设计带入21世纪,在编码器的使用中提供许多独特的系统益处,覆盖从产品开发到安装,甚至维护的所有阶段。

  为什么?因为光学或磁编码器的输出仅可完成工作,但却不灵活,无法为用户提供灵活性、见解或操作优势。相比之下,电容式编码器是数字式的,利用内置的ASIC和微控制器来提供其它特点和增强性能。这种智能输出在许多方面改变了用户和性能场景,同时与标准编码器输出完全兼容。

图3 电容式编码器对收到的与电机轴连接的转子发送的信号调制脉冲进行计数

  重大的有利改变即将发生

  让我们更深入地看看作为CUI AMT31系列等电容式编码器一部分的ASIC和微控制器可以实现的提升:

  ●CUI电容式编码器的数字特性可以实现简单、快速的一次触摸调零,这个过程是非常简单的:通过激励适当的电机相位,将电机轴锁定到所需的位置,并且指令编码器在这个位置调零,总体时间仅为一至两分钟,并且无需特殊仪器。

  相反地,使用光学或磁编码器,调零采用机械方式调整电机绕组的换向信号,这是一个多步骤、复杂和经常令人沮丧的过程。它需要锁定转子,进行物理对位,以及后向驱动马达,同时使用示波镜来观察后部EMF和编码器波形,实现正确的零交叉对位。这通常需要重复的步骤,需要重复来实现精细调整和验证,因而整个过程可能花费15至20分钟。

  ●AMT系列的数字特性还极大地提升了系统设计过程,提供了灵活性、诊断,并且实现马达和马达-控制器性能的评测。特别地,由于单一电容式编码器能够支持广泛的分辨率和对极数值范围,使得设计人员能够使用这种可编程分辨率功能,在控制器和算法开发期间动态调整PID控制回路的响应和性能,而无需购买和安装全新的编码器。

  构建在AMT系列中的智能还允许进行板载诊断,用于更快的现场故障分析,这是业界的创举。编码器可以进行查询,以指示它是否运作正常,或者是否存在由于轴的机械偏心或其它问题造成的某种故障。因此,设计人员能够快速确定编码器有否发生故障,查看问题的来源,从而排除编码器本身可能存在的问题。而且,工程师能够使用这项功能作预防措施,例如,在运行程序之前执行测试序列以确定编码器状况良好。这些并未在光学或机械编码器上提供的功能,可让设计人员将停机时间减至最少,同时预见可能出现在现场装置的问题。

  ●最终,数字接口还可以简化材料清单(BOM)。由于编码器可以根据所需的特定变化(PPR、极对,以及转换方向)使用软件进行定制,无需列出和存储多电机产品,或者用于多种产品,或者在安装地点所需的不同型款。

  智能编码器结合GUI:功能强大的配对

  用于CUI电容式编码器的Windows PC-based AMT Viewpoint软件加快了开发工作,并且能够以简单的操作来完成耗费时间的琐碎工作,比如确认型号和型款。它仅仅需要一个USB电缆来接入编码器,并且实施简单的串行数据格式。

  CUI的设置屏幕可让用户查看关键的编码器波形和定时,随着编码器选项的改变而自动调节。通过GUI编程编码器仅仅需要几个按键,每个周期大约需要30秒来完成。最值得注意的是,编码器用于A、B、索引或换向的对准或调零仅仅需要数秒,这与使用非可编程编码器来完成这项任务形成了鲜明的对比。

  在演示模式,用户能够使用GUI,以及进行编码器相关运作,就像连接实际的编码器一样,这是在购买或实际使用之前熟悉编码器和工具的便利方法。最终,GUI还支持创建可定购的部件编号,用于特定的编码器型款,这包括输出格式、套(孔)适配器,以及安装基座等选项。

图4 CUI的AMT视点软件提供易于使用的开发接口

  总结

  基于电容式技术之编码器具备众多优势,不仅仅提供了改进的性能和可靠性,比如CUI的AMT31器件内置ASIC/微控制器,提供了支持可编程设置和安装特性的智能功能,实现运作智能并且简化存货管理。当这些特性结合基于PC的GUI,能够提供易于使用的复杂功能,极大地简化编码器使用的方方面面,从样品设计、评测和调试,直至安装和配置,以及诊断和存货最小化。所有这些均以针对其它编码器的类似价格,维持与标准输出类型和格式的兼容性,同时实现较低的功耗。AMT31具有易于安装的适配器,用于不同的电机轴尺寸,参见图5,它代表着利用智能接口的合理以提供其它编码器技术所不具备的广泛优势的下一步举措。

图5 CUI的AMT31编码器提供了独特的耐用性和灵活性组合

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