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  機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人(cobots)應(yīng)用的激增，使自動(dòng)化的效率和安全性得以提高，是正在進(jìn)行的第四次工業(yè)革命(I4.0)的一大驅(qū)動(dòng)力。為了確保對(duì)終端任務(wù)的精確控制，如在裝配線(xiàn)上拾取和放置物體或確保操作人員的安全，必須為每個(gè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)提供準(zhǔn)確的角度位置測(cè)量。

  事實(shí)上，機(jī)器人終端功能的精度歸根結(jié)底受限于每個(gè)可動(dòng)關(guān)節(jié)所能達(dá)到的累積精度。由于光學(xué)編碼器可以提供高精確度，因此在工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常使用它們來(lái)提供旋轉(zhuǎn)位置。然而，光學(xué)編碼器價(jià)格昂貴，物料單(BOM)龐大，而且它們的性能會(huì)因?yàn)楣I(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的污染物和振動(dòng)的存在而降低。另一方面，電感式旋轉(zhuǎn)編碼器不受這些因素的影響，而且價(jià)格較低;然而，電感式編碼器一般不具備相同的性能水平。

  因此，它們的應(yīng)用主要限于不需要高精度的汽車(chē)應(yīng)用。在這篇文章中，我們概述了旋轉(zhuǎn)編碼器的主要性能規(guī)格，然后介紹一種創(chuàng)新的電感式傳感器，其可達(dá)到與其光學(xué)同類(lèi)產(chǎn)品相當(dāng)?shù)木人健?

圖1：工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上的機(jī)械臂

  選擇編碼器

  旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量軸的角位置并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。當(dāng)為一個(gè)應(yīng)用選擇編碼器時(shí)，關(guān)鍵的考慮因素是分辨率(比特)、精度(弧秒)、可重復(fù)性、延遲、速度(RPM)和傳感器的尺寸(直徑，毫米)。了解各種基礎(chǔ)編碼器技術(shù)將有助于在選擇編碼器時(shí)根據(jù)應(yīng)用需求在不同的技術(shù)間進(jìn)行權(quán)衡取舍。

  分辨率：分辨率是由一整圈的位置代碼總數(shù)決定的。由于一次旋轉(zhuǎn)中的代碼的數(shù)量是有限的，故而從一個(gè)讀數(shù)位置到下一個(gè)最接近的位置讀數(shù)的變化是最小的可檢測(cè)的位置變化。絕對(duì)編碼器的分辨率通常以比特表示。對(duì)編碼器的一個(gè)常見(jiàn)誤解是，更高的分辨率可以提高系統(tǒng)的精度。必須意識(shí)到，提高分辨率不一定能提高精度。編碼器的分辨率很可能遠(yuǎn)高于其精度。

  精度：編碼器精度是測(cè)量編碼器的輸出值與被測(cè)軸的實(shí)際位置之間的差異的量度。編碼器精度通常以度、弧分或弧秒為單位。標(biāo)準(zhǔn)編碼器的精度約為2.5角分(三分之一度)或更高，而高端精密編碼器的精度可達(dá)到5角秒(0.0014度)。許多工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用需要50角秒或更高的精度。

  重復(fù)性：重復(fù)性表示當(dāng)軸在其他運(yùn)動(dòng)后回到同一位置時(shí)，系統(tǒng)能否穩(wěn)定地再次測(cè)量。同一物理位置的測(cè)量輸出的任何差異都被測(cè)量為重復(fù)性誤差，通常以角秒表示。

  延遲：選擇編碼器時(shí)要考慮的另一個(gè)參數(shù)是系統(tǒng)的步進(jìn)響應(yīng)和延時(shí)。延遲，通常以微秒表示，是指從啟動(dòng)一個(gè)位置測(cè)量到將計(jì)算的位置傳送給主控制器的時(shí)間跨度。換句話(huà)說(shuō)，如果主控制器詢(xún)問(wèn)編碼器的位置是什么，需要多長(zhǎng)時(shí)間才能得到響應(yīng)?

  速度：考慮到用于感測(cè)和處理傳感器信號(hào)的電子裝置的帶寬是有限的，在獲得準(zhǔn)確的位置的測(cè)量時(shí)，軸的旋轉(zhuǎn)速度是有限的。在軸處于一定的轉(zhuǎn)速下時(shí)，傳感器的電子裝置可以不再跟上。

  尺寸：位置傳感器的尺寸是編碼器選擇過(guò)程中的一個(gè)重要考慮因素，因?yàn)椴煌慕K端應(yīng)用有不同的尺寸限制。值得注意的是，精度通常與傳感器的直徑成正比。

轉(zhuǎn)換器類(lèi)型：最常見(jiàn)的編碼器使用光學(xué)、電感或磁性轉(zhuǎn)換器，將角度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為可處理并進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換測(cè)量的電信號(hào)。光學(xué)編碼器是最精確的，磁性編碼器是最不精確的，電感式編碼器的精度歷來(lái)介于二者之間，但在每個(gè)方向都有相當(dāng)大的重疊。光學(xué)編碼器的精度越高，成本就越高?？蛻?hù)必須在精度要求和系統(tǒng)成本以及其他因素如可靠性、易用性和維護(hù)方面去權(quán)衡取舍，以找到滿(mǎn)足其需求的最佳解決方案。

  電感式編碼器

  電感式編碼器使用在印制電路板上的金屬導(dǎo)線(xiàn)制造電感線(xiàn)圈。與其他旋轉(zhuǎn)編碼器類(lèi)似，電感式編碼器包含兩個(gè)主要部分：一個(gè)稱(chēng)為定子的固定元件，和一個(gè)稱(chēng)為轉(zhuǎn)子(目標(biāo))的移動(dòng)元件。定子由一個(gè)發(fā)射器線(xiàn)圈和兩個(gè)或更多的接收線(xiàn)圈組成。接收線(xiàn)圈被印在電路板上，產(chǎn)生相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置變化的信號(hào)。在許多設(shè)計(jì)中，處理傳感器信號(hào)的電子電路也被集成到定子上。轉(zhuǎn)子不包含任何有源電路，由鐵磁材料或帶有銅等導(dǎo)電材料層或圖案的基板(例如，PCB)制成。當(dāng)交流電在定子上的發(fā)射器線(xiàn)圈上被驅(qū)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，在目標(biāo)表面的導(dǎo)電圖案中產(chǎn)生渦流。這些渦流產(chǎn)生了一個(gè)相反的場(chǎng)，它調(diào)節(jié)了傳感器和目標(biāo)之間的磁通密度，這反過(guò)來(lái)又在定子的接收線(xiàn)圈上產(chǎn)生了一個(gè)電壓。接收器電壓的振幅和相位隨著目標(biāo)相對(duì)于定子的旋轉(zhuǎn)而變化，以便計(jì)算目標(biāo)的位置。

  電感式編碼器有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，使其成為工業(yè)應(yīng)用的理想選擇：

  1.電感式編碼器不易受幾乎所有形式的污染或干擾影響，包括液體、污垢和灰塵、磁場(chǎng)、電磁干擾和強(qiáng)烈振動(dòng)。

  2.由于電感式編碼器對(duì)機(jī)械振動(dòng)的敏感性低，可以區(qū)分轉(zhuǎn)子到定子之間的平移，以及轉(zhuǎn)子到定子之間的旋轉(zhuǎn)。例如，它們可以區(qū)分旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(被測(cè)量)和X、Y或Z軸的振動(dòng)(可以被濾除)。

  3.穩(wěn)定性。電感式編碼器利用整個(gè)轉(zhuǎn)子表面和整個(gè)定子表面之間的電感耦合。在它停止工作之前，必須切斷PCB的線(xiàn)圈。

  4.與磁性編碼器不同，電感式感測(cè)沒(méi)有一階溫度依賴(lài)。因此，電感式編碼器在不同溫度下的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性要比磁感應(yīng)高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

  創(chuàng)新的電感技術(shù)

雖然電感式編碼器的特點(diǎn)使其在工業(yè)應(yīng)用中非常有吸引力，但歷來(lái)用例僅限于對(duì)精度要求不高(例如，<100s 角秒)和低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用。

安森美的NCS32100是一種新的雙電感式旋轉(zhuǎn)位置傳感器，在工業(yè)應(yīng)用中可提供中高端光學(xué)編碼器通常具有的高精度與高轉(zhuǎn)速。這創(chuàng)新的裝置采用專(zhuān)利認(rèn)證的技術(shù)，有八個(gè)信號(hào)通道，可以以各種方式分配給多達(dá)八個(gè)定子線(xiàn)圈使用，以提供精細(xì)和粗略的定位。

  當(dāng)與相應(yīng)的定子和轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈配對(duì)時(shí)，NCS32100 可在高速和高精確度下計(jì)算絕對(duì)位置。NCS32100可輕松超越最先進(jìn)的電感式編碼器，在高達(dá)6,000 RPM的速度下實(shí)現(xiàn)50角秒或更高的精度。它支持高達(dá)100,000 RPM的速度(精度會(huì)降低)，一個(gè)高度集成的傳感器包含一個(gè)帶有閃存以存儲(chǔ)配置設(shè)置的Arm® Cortex®-M0+處理器。NCS32100提供的集成度使其成為一個(gè)簡(jiǎn)單而易于使用的方案。其他有價(jià)值的功能還包括故障檢測(cè)，在備用電池電量不足、傳感器功能失?；驒z測(cè)到過(guò)熱情況時(shí)發(fā)出警告。它還帶有一個(gè)集成的以及能夠快速自我校準(zhǔn)的程序(以盡量減少生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間)，使其能夠補(bǔ)償PCB的不對(duì)稱(chēng)性。這種校準(zhǔn)具有高度自動(dòng)化和快速的特性，只需2秒鐘便可以完成校準(zhǔn)，對(duì)生產(chǎn)時(shí)間的影響最小。它有一個(gè)易于使用的編程界面，可結(jié)合各種傳感器和PCB使用，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)、形狀、尺寸和外形因素，以獲得最大的設(shè)計(jì)靈活性。

圖2：雙電感式旋轉(zhuǎn)位置傳感器

  NCS32100將工業(yè)位置感測(cè)提升到新的水平

  工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人需要越來(lái)越強(qiáng)大的編碼器來(lái)提供高精度和高速的位置感測(cè)。電感式編碼器對(duì)各種環(huán)境因素有很好的抗干擾性，對(duì)這些工業(yè)應(yīng)用有很大的吸引力。雖然過(guò)去電感式編碼器的相對(duì)不精確性限制了其在復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，但現(xiàn)在安森美的旋轉(zhuǎn)位置傳感器為工業(yè)應(yīng)用中的旋轉(zhuǎn)感測(cè)提供了最佳解決方案。安森美的NCS32100旋轉(zhuǎn)位置傳感器采用了一種新的電感式位置感測(cè)方法，克服了過(guò)往的局限性，在高速工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了新一代高精度旋轉(zhuǎn)位置編碼器。