如何提高逆变器和电机驱动系统的性能？

　　从定速电机转向带位置和电流反馈的变速电机提供了一条节省大量流程和能源的途径。本文概述了电机编码器（位置和速度），包括类型和技术，以及应用用例。它还回答了一些关键问题，比如什么样的编码器性能指标对我的系统最重要。将讨论编码器应用中使用的电子产品的主要未来趋势，包括机器健康监控、智能和鲁棒的长寿命检测。最后，我们将解释为什么完整的信号链设计对于设计下一代电机编码器至关重要。

　　电机编码器性能指标、趋势和电子学

　　阅读完本文后，您应该能够回答以下关键问题：

　　什么是编码器，它如何提高我的逆变器和电机驱动系统的性能？

　　什么样的编码器性能指标对我的系统最重要？阅读本文后，您将了解如何将编码器分辨率、精度和重复性规格与电机和机器人系统相匹配

　　编码器常用的电子器件有哪些，未来趋势如何？阅读本文后，您将了解机器健康监控、边缘智能、鲁棒检测和高速连接如何支持未来的编码器设计。

　　闭环电机控制反馈系统

　　在过去的几十年里，从传统的并网电机到逆变器驱动电机一直在稳步发展。这已经是并将继续是工业旋转设备的一个重大转变，通过更高效地使用电机和终端设备，实现了巨大的流程和能源节约。变速驱动和伺服驱动系统的电机控制性能更高，为要求最苛刻的应用提供了更高的质量和同步性。如图1所示，通过使用功率逆变器、高性能位置检测和功率级电流/电压闭环反馈，电机性能和效率得到了提高。

　　通过在逆变器中使用脉宽调制向电机施加可变频率电压，电机的开环速度控制是可能的。在稳态或缓慢变化的动态条件下，这种方法相当有效，许多低性能应用中的电机驱动采用开环速度控制，不需要编码器。然而，这种方法有几个缺点：

　　由于没有反馈，速度精度受到限制

　　由于电流控制无法优化，电机效率很低

　　瞬态响应必须严格限制，以使电机不会失去同步

　　图一。闭环电机控制反馈系统。

　　什么是位置编码器？

　　编码器通过跟踪旋转轴速度和位置来提供闭环反馈信号。光学和磁性编码器是使用最广泛的技术，如图2所示。在通用伺服驱动器中，编码器用于测量轴的位置，并由此得出驱动器的转速。在机器人和离散控制系统中，需要精确且可重复的轴位置。光学编码器由带有精细光刻槽的玻璃盘组成。光电二极管传感器检测光线穿过光盘或被光盘反射时的变化。光电二极管的模拟输出被放大和数字化，然后通过有线电缆发送到逆变器控制器。磁性编码器由安装在电机轴上的磁铁组成，磁场传感器提供正弦和余弦模拟输出，并经过放大和数字化。光学和磁性传感器信号链类似，如图2所示。

　　电机编码器类型、技术和性能指标

　　通电后，绝对单圈编码器返回机械或电气360°内的绝对位置。可以立即读取电机轴的位置。绝对多圈编码器包括绝对功能和计数360圈的数量。相反，增量编码器提供相对于旋转起始点的位置。增量编码器提供一个指示0的索引脉冲和一个计数转数的单脉冲或一个给出方向信息的双脉冲。

　　图二。（a）光学编码器和（b）磁性编码器。

　　编码器的分辨率是电机轴每旋转360°可以区分的位置数量。一般来说，最高分辨率编码器使用光学技术，而中等分辨率/高分辨率编码器使用磁性或光学传感器。分解器（旋转变压器）或霍尔传感器用于中低分辨率编码器。光学或磁性编码器使用高分辨率信号调节。大多数光学编码器都是增量式的。编码器可重复性是一个关键的性能指标，也是衡量编码器返回到相同指令位置的一致性的指标。这对于重复性任务至关重要，例如PCB制造过程中用于半导体贴装的机器人或拾放机。

　　图3。编码器类型。

　　表1。编码器关键性能指标

　　电机编码器精度和可重复性的重要性

　　拾取和放置机器/机器人是食品包装和半导体制造工业中普遍使用的自动化机器。为了提高加工效率，需要具有高精度和可重复性的机器或机器人。使用高性能电机编码器可实现精确度、可重复性和效率。

　　图4展示了机器人技术中的编码器用例。电机通过精密减速齿轮箱驱动机械臂的每个关节。机器人关节角度通过安装在电机上的精密轴角编码器（θm）和通常附加的臂装编码器（θj）。

　　对于机器人，数据手册中列出的主要性能规格是可重复性，通常数量级为亚毫米级。通过了解重复性规格和机器人范围，您可以推断回旋转编码器规格。

　　图4。电机编码器（θm）和关节编码器（θj）处的角度重复性，以及机器人的伸出距离（L）。

　　关节编码器所需的角度可重复性（θ）可以从三角法中推导出来：机器人可重复性的tan倒数除以reach。

　　多个关节结合在一起，实现整个机器人的范围。传感器应该具有比目标角度精度更高的性能。每个关节的可重复性规格必须提高，这里假设提高了10倍。对于电机编码器，可重复性由齿轮箱比率（G）定义。

　　例如，表2所示的机器人系统，关节编码器需要20位至22位的可重复性规格，而电机编码器则需要14位至16位分辨率。

　　表二。编码器重复性和机器人重复性规范

　　电机编码器技术的未来趋势

　　图5描述了未来的编码器趋势和支持这些趋势的技术。

　　图5。编码器的发展趋势以及支持这些趋势的技术。

　　Rockwell1对伺服驱动器、编码器和编码器通信端口的研究表明，用于反馈通信的收发器每年增长20%。支持双线100 Mbps通信的单对以太网（SPE）收发器（IEEE 802.3dg标准100BASE-T1L）［1］目前正在研究中，未来的编码器驱动接口将受益于低延迟，目标为≤1.5 s。这种低延迟将支持更快的反馈数据采集和更快的控制回路响应时间。

　　机器人和旋转机器（如涡轮机、风扇、泵和电机）的基于状态的监控（CbM）记录与机器健康和性能相关的实时数据，以实现有针对性的预测性维护和优化控制。在机器生命周期的早期进行有针对性的预测性维护，可以降低生产停工的风险，从而提高可靠性、显著节约成本并提高工厂的生产率。使用置于编码器中的MEMS加速度计，为质量控制至关重要的机器提供振动反馈。将MEMS加速度计添加到编码器非常方便，因为编码器已经有布线、通信和电源，可以向控制器提供振动反馈。在某些应用中，例如CNC机床，从编码器发送到伺服系统的MEMS振动数据可以用来实时优化系统性能。

　　使用CbM延长工业资产的使用寿命可以通过耐用的长寿命位置传感器来补充。磁传感器产生模拟输出，指示周围磁场的角位置，可以用来代替光学编码器。磁性编码器可用于湿度较高、灰尘较多的区域。这些恶劣的环境损害了光学解决方案的性能和寿命。

　　对于机器人和其他应用，机械系统的位置必须总是已知的，即使在断电的情况下。与标准机器人、cobots和其他自动化装配设备相关的主要成本和低效率之一是在操作中突然断电后重新连接和初始化加电所需的停机时间。ADI公司开发的磁性多匝存储器［2］无需外部电源即可记录外部磁场的转数。这导致系统尺寸和成本的减小。

　　对于机器人和协作机器人，电机编码器和关节编码器通常需要16位至18位ADC性能，某些情况下需要22位ADC。一些光学绝对位置编码器也需要最高24位分辨率的高性能ADC。

　　电机编码器信号链

　　图6、7、8和9显示了磁性（各向异性磁阻（AMR）和霍尔技术）、光学和旋变编码器的编码器信号链。这些组件分为五个主要类别：

• 　　使用磁性传感器跟踪轴的位置和速度（AMR，Hall）

• 　　机器健康监控

• 　　MEMS传感器

• 　　温度传感器

• 　　智力

• 　　集成/不集成ADC的微控制器

• 　　旋变数字转换器（RDC）

• 　　电缆接口

• 　　高速RS-485/RS-422收发器

• 　　SPI至RS-485扩展器收发器

• 　　信号波形加工

• 　　高性能ADC（12位至24位分辨率）

• 　　磁性编码器（AMR）

　　在基于磁性的位置传感器领域，AMR传感器提供了鲁棒性和准确性的最佳组合。如图6所示，传感器通常位于连接到电机轴的偶极磁体的对面。

　　AMR传感器对磁场方向变化很敏感，不像霍尔技术对磁场强度很敏感。由此带来的优势是，传感器对系统中的气隙和机械公差变化非常宽容。此外，由于AMR传感器没有工作磁场上限，当在高磁场下工作时，传感器对杂散磁场非常鲁棒。

　　这ADA4571是一款AMR传感器，具有低延迟集成信号调理功能，并提供单端模拟输出。ADA4571单芯片解决方案提供有保证的角度精度（典型角度误差仅为0.10°），工作速度最高可达50k rpm。ADA4571-2是双通道版本，在安全关键型应用中提供完全冗余，而不会影响性能。

　　这ADA4570是AAD4571的衍生产品，性能相同，但具有差分输出，适用于更恶劣的环境。ADA457x系列具有高角度精度和可重复性，可改善闭环控制，降低电机扭矩纹波和噪声。单芯片架构提高了可靠性，减小了尺寸和重量，与竞争技术相比更易于集成。

　　信号调理和电源

　　这AD73804 MSPS双通道同步采样、16位SAR ADC提供许多系统级优势，包括节省空间的3 mm × 3 mm封装，这对于空间受限的编码器PCB板非常重要。4 MSPS吞吐速率确保捕捉到详细的正弦和余弦周期，并且编码器位置是最新的。高吞吐速率支持片内过采样，从而减少数字ASICs或微控制器向电机提供精确编码器位置的时间损失。AD7380片内过采样的另一个好处是，它允许额外的2位分辨率，可以很容易地与片内分辨率提升特性一起使用。应用笔记AN-2003［3］详细介绍了AD7380的过采样和分辨率提升特性。V星人抄送和V驱动器ADC的和放大器驱动器的供电轨可以由LDO调节器供电，如LT3023。多路输出低噪声LDO，如ADP320、LT3023和LT3029 can be used to power all components in the signal chain.

　　旋转变压器编码器具有一些优点，例如高机械可靠性和精度；然而，与磁铁和ADA4571相比，旋变器价格昂贵。

　　这AD2S1200将来自旋变器的信号转换为数字角度/角速率。图10显示了旋变信号链。两个放大器用来创建一个三阶巴特沃兹低通滤波器，将旋变信号传递给AD2S1200。涉及电路笔记CN0276 了解更多信息。。”［5］

　　为了节省空间和降低设计复杂性

　　LTC4332建议使用SPI扩展器。LTC4332支持系统分区，提供将微控制器置于伺服系统而非编码器的选项。如果微控制器需要时，MAX32672 SPI接口可以用作AD2S1200的直接链路，ADM3065E RS-485收发器可以代替LTC4332使用。®如果使用LTC4332，AD2S1200 SPI输出将转换为稳定的差分现场总线接口。LTC4332包括三条附属选择线，因此MEMS和温度传感器等其他传感器可以与AD2S1200连接在同一总线上。®表6。旋变编码器信号链推荐元件

　　AD8694、AD8692、AD8397

　　收发器（SPI/RS-485、RS-485）

　　这LTC4332、ADM3065E旋转变压器数字转换器g AD2S1200、AD2S1205、AD2S1210

　　这结论ADI公司深厚的专业知识和先进的技术帮助合作伙伴设计未来的工业电机编码器和网络。利用小巧而强大的微控制器、ADXL371 MEMS和ADT7320温度传感器，可以轻松将资产健康洞察集成到编码器中。与光学或旋变检测解决方案相比，ADI公司业界领先的AMR磁传感器（如ADA4571）可提高可靠性、减小尺寸和重量，并且更易于集成到编码器中。利用AD7380或AD7760等中高端ADC，可以实现取放机和机器人的高精度和高重复性。