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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)動力。為了確保對終端任務(wù)的精確控制，如在裝配線上拾取和放置物體或確保操作人員的安全，必須為每個旋轉(zhuǎn)點(diǎn)提供準(zhǔn)確的角度位置測量。

  事實(shí)上，機(jī)器人終端功能的精度歸根結(jié)底受限于每個可動關(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)常使用它們來提供旋轉(zhuǎn)位置。然而，光學(xué)編碼器價格昂貴，物料單(BOM)龐大，而且它們的性能會因?yàn)楣I(yè)環(huán)境中常見的污染物和振動的存在而降低。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)同類產(chǎn)品相當(dāng)?shù)木人健?

圖1：工業(yè)生產(chǎn)線上的機(jī)械臂

  選擇編碼器

  旋轉(zhuǎn)編碼器測量軸的角位置并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。當(dāng)為一個應(yīng)用選擇編碼器時，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，故而從一個讀數(shù)位置到下一個最接近的位置讀數(shù)的變化是最小的可檢測的位置變化。絕對編碼器的分辨率通常以比特表示。對編碼器的一個常見誤解是，更高的分辨率可以提高系統(tǒng)的精度。必須意識到，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：編碼器精度是測量編碼器的輸出值與被測軸的實(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)動后回到同一位置時，系統(tǒng)能否穩(wěn)定地再次測量。同一物理位置的測量輸出的任何差異都被測量為重復(fù)性誤差，通常以角秒表示。

  延遲：選擇編碼器時要考慮的另一個參數(shù)是系統(tǒng)的步進(jìn)響應(yīng)和延時。延遲，通常以微秒表示，是指從啟動一個位置測量到將計算的位置傳送給主控制器的時間跨度。換句話說，如果主控制器詢問編碼器的位置是什么，需要多長時間才能得到響應(yīng)?

  速度：考慮到用于感測和處理傳感器信號的電子裝置的帶寬是有限的，在獲得準(zhǔn)確的位置的測量時，軸的旋轉(zhuǎn)速度是有限的。在軸處于一定的轉(zhuǎn)速下時，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程中的一個重要考慮因素，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)換器類型：最常見的編碼器使用光學(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)換測量的電信號。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介于二者之間，但在每個方向都有相當(dāng)大的重疊。光學(xué)編碼器的精度越高，成本就越高?？蛻舯仨氃诰纫蠛拖到y(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)線制造電感線圈。與其他旋轉(zhuǎn)編碼器類似，電感式編碼器包含兩個主要部分：一個稱為定子的固定元件，和一個稱為轉(zhuǎn)子(目標(biāo))的移動元件。定子由一個發(fā)射器線圈和兩個或更多的接收線圈組成。接收線圈被印在電路板上，產(chǎn)生相對于轉(zhuǎn)子位置變化的信號。在許多設(shè)計中，處理傳感器信號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)射器線圈上被驅(qū)動時，會產(chǎn)生一個電磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過傳感器時，在目標(biāo)表面的導(dǎo)電圖案中產(chǎn)生渦流。這些渦流產(chǎn)生了一個相反的場，它調(diào)節(jié)了傳感器和目標(biāo)之間的磁通密度，這反過來又在定子的接收線圈上產(chǎn)生了一個電壓。接收器電壓的振幅和相位隨著目標(biāo)相對于定子的旋轉(zhuǎn)而變化，以便計算目標(biāo)的位置。

  電感式編碼器有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢，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、電磁干擾和強(qiáng)烈振動。

  2.由于電感式編碼器對機(jī)械振動的敏感性低，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(被測量)和X、Y或Z軸的振動(可以被濾除)。

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

  4.與磁性編碼器不同，電感式感測沒有一階溫度依賴。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)高好幾個數(shù)量級。

  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，但歷來用例僅限于對精度要求不高(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)新的裝置采用專利認(rèn)證的技術(shù)，有八個信號通道，可以以各種方式分配給多達(dá)八個定子線圈使用，以提供精細(xì)和粗略的定位。

  當(dāng)與相應(yīng)的定子和轉(zhuǎn)子線圈配對時，NCS32100 可在高速和高精確度下計算絕對位置。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(精度會降低)，一個高度集成的傳感器包含一個帶有閃存以存儲配置設(shè)置的Arm® Cortex®-M0+處理器。NCS32100提供的集成度使其成為一個簡單而易于使用的方案。其他有價值的功能還包括故障檢測，在備用電池電量不足、傳感器功能失?；驒z測到過熱情況時發(fā)出警告。它還帶有一個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)時間)，使其能夠補(bǔ)償PCB的不對稱性。這種校準(zhǔn)具有高度自動化和快速的特性，只需2秒鐘便可以完成校準(zhǔn)，對生產(chǎn)時間的影響最小。它有一個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、形狀、尺寸和外形因素，以獲得最大的設(shè)計靈活性。

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)器人需要越來越強(qiáng)大的編碼器來提供高精度和高速的位置感測。電感式編碼器對各種環(huán)境因素有很好的抗干擾性，對這些工業(yè)應(yīng)用有很大的吸引力。雖然過去電感式編碼器的相對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方法，克服了過往的局限性，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。