如何為新一代永續應用設計馬達編碼器

作者：ADI資深系統工程經理Richard Anslow

摘要

從定速馬達轉向提供位置和電流回饋的變速馬達，不僅可以實現製程改善，還能節省大量能源。本文介紹了馬達編碼器（位置和速度）、元件類型和技術以及應用案例。此外還解答了一些關鍵問題，例如對特定系統最重要的編碼器性能指標有哪些。本文將探討編碼器應用中電子元件的未來發展趨勢，包括設備健康監測和智慧型長期穩健的檢測。最後，本文解釋了為什麼完整的訊號鏈設計是實現新一代馬達編碼器設計的基礎。

馬達編碼器性能指標、趨勢和電子元件

閱讀本文後，您應該能夠回答以下關鍵問題：

• 什麼是編碼器，其如何提高逆變器和馬達驅動系統的性能？
• 哪些編碼器性能指標對特定系統最重要？閱讀本文後，您將瞭解如何使編碼器的解析度、精度和可重複性規格與馬達和機器人系統規格相互匹配。
• 編碼器常用的電子元件有哪些，未來的發展趨勢是什麼？閱讀本文後，您將瞭解設備健康監測、邊緣智慧、穩定可靠的檢測和高速連接如何支援未來的編碼器設計。

閉迴路馬達控制回饋系統

在過去的幾十年裡，從傳統的聯網馬達向逆變器驅動馬達的轉換一直在穩步、持續進行。這是工業旋轉設備的重大轉型，透過提升馬達和終端設備的使用效率，不僅實現了製程改善，還能節省大量能源。變速驅動器和伺服驅動系統提高了馬達控制性能，進而可以改善要求嚴苛應用的品質和同步功能。如圖1所示，功率級使用了功率逆變器、高性能位置感測以及電流/電壓閉迴路回饋，因此馬達性能和效率得以提升。

將變頻電壓施加於逆變器採用脈衝寬度調變的馬達，可以實現對馬達的開迴路速度控制。在穩態或緩慢變化的動態條件下，這將相當有效，並且較低性能應用中的許多馬達驅動器採用開迴路速度控制，而不需要編碼器。但是，此種方法也有些缺點：

• 由於沒有回饋，速度精度很有限
• 由於無法優化電流控制，馬達效率很低
• 必須嚴格限制瞬態響應，以免馬達喪失同步

什麼是位置編碼器？

編碼器透過追蹤旋轉軸的速度和位置來提供閉迴路回饋訊號。光學和磁編碼器技術使用非常廣泛，如圖2所示。在通用伺服驅動器中，編碼器用於測量軸位置，從中可推導出驅動器轉速。機器人和離散控制系統需要準確且可重複的軸位置。光學編碼器由具備精細光刻槽的玻璃圓盤組成。當光穿過圓盤或從圓盤反射時，光電二極體感測器將感測光的變化。光電二極體的類比輸出經過放大和數位化處理後，透過有線電纜發送到逆變器控制器。磁編碼器由安裝在馬達軸上的磁體和磁場感測器組成，感測器提供正弦和餘弦類比輸出，輸出經過放大和數位化處理。光學和磁感測器訊號鏈類似，如圖2所示。

馬達編碼器類型、技術和性能指標

單圈絕對值編碼器在通電後會返回機械或電氣360°範圍內的絕對位置訊號。馬達軸的位置可以立即讀取。多圈絕對值編碼器不僅具有絕對位置功能，而且能提供360°圈數計數。相較之下，增量編碼器則提供相對於旋轉起點的位置。增量編碼器提供一個索引脈衝來指示0°，並提供一個單脈衝來計數圈數，或提供一個雙脈衝來提供方向資訊。

編碼器的解析度是指馬達軸旋轉360°時可以區分的位置數量。通常，最高解析度的編碼器使用光學技術，而中高解析度的編碼器使用磁或光學感測器。中低解析度編碼器則使用旋變器（旋轉變壓器）或霍爾感測器。光學或磁編碼器使用高解析度訊號處理。大多數光學編碼器是增量式的。編碼器可重複性是一項關鍵性能指標，主要可用於衡量編碼器返回到同一指令位置的一致性，這對於重複性任務非常重要，例如在PCB製造過程中，放置半導體所用的機器人或貼片機便須具有良好的可重複性。

表1.編碼器關鍵性能指標

指標	定義	備註
解析度	編碼器每轉可區分的位置數(n)	高解析度：16位元至24位元 中解析度：13位元至18位元 低解析度：<12位元
絕對精度	旋轉一圈後實際位置與報告位置之間的差異（類似於INL）	位置控制應用依賴絕對精度
差分精度	兩個相鄰位置之間報告的距離與理想距離之差（類似於DNL）	速度控制應用依賴差分精度
可重複性	編碼器返回到同一指令位置的一致性	可重複性對於重複性任務很重要，例如涉及機器人的任務

馬達編碼器精度和可重複性的重要性

貼片機/機器人是食品包裝和半導體製造產業中常用的自動化機器。為了提高製程效率，需要具有高精度和可重複性的機器或機器人。使用高性能馬達編碼器可實現高精度、可重複性和高效率。

圖4展示了機器人中的編碼器應用案例。馬達透過精密減速變速箱驅動機器臂中的每個關節。機器人關節角度透過馬達上安裝的精密軸角編碼器(θ_m)和機器臂上安裝的附加編碼器 (θ_j)來測量。

對於機器人，產品手冊上列出的主要性能規格是可重複性，其數量級通常是亞毫米級。在瞭解可重複性規格和機器人的作用範圍之後，就可以推斷旋轉編碼器的規格。

關節編碼器所需的角度可重複性(θ)可從三角函數得出：機器人可重複性除以作用範圍的反正切。

多個關節結合起來可實現機器人的整體作用範圍。感測器應具有比目標角度精度更高的性能。必須改善每個關節的可重複性規格，這裡假設改善10倍。對於馬達編碼器，可重複性由齒輪比(G)定義。

例如，對於表2所示的機器人系統，關節編碼器需要20位元到22位元的可重複性規格，而馬達編碼器需要14位元到16位元的解析度。

表2.編碼器可重複性和機器人可重複性規格

機器人系統		Robot 1	Robot 2
假定齒輪比，G		100
可重複性規格		±0.05 mm	±0.01 mm
作用範圍，L		1.30 m	1.10 m
編碼器 可重複性 規格	θ	0.0022°	0.0005°
	θj/101	0.00022° （~20位元）)	0.00005° （~22位元）
	θm = θj × G	0.02° （~14位元）	0.005° （~16位元）
1由於機器人作用範圍由多個關節共同體現，因此單個編碼器必須具有更高的精度 才能實現整體系統精度。

馬達編碼器技術的未來發展趨勢

圖5說明了編碼器的未來發展趨勢和實現這些趨勢的技術。

Rockwell¹ 關於伺服驅動器、編碼器和編碼器通訊連接埠的研究顯示，用於回饋通訊的收發器每年成長20%。支援透過兩條線（IEEE 802.3dg標準100BASE-T1L)¹ 進行100 Mbps通訊的單對乙太網路(SPE)收發器目前則正在研究中，未來的編碼器驅動介面將受益於低延遲，目標性能為≤1.5 µs。此種低延遲將支援更快的回饋資料獲取和更短的控制迴路回應時間。

對機器人和旋轉機器（例如渦輪機、風扇、泵和馬達）進行的狀態監測會記錄與機器的健康和性能相關的即時資料，以便針對性地進行預測維護和優化控制。在機器生命週期的早期進行針對性的預測維護，可以減少生產停機的風險，進而提高可靠性、明顯節約成本和提高工廠的生產率。將MEMS加速度計放置在編碼器中可提供機器的振動回饋，這適合品質控制非常重要的應用。將MEMS加速度計增加到編碼器中會很方便，因為編碼器具有現成的佈線、通訊和電源，可以向控制器提供振動回饋。在數控(CNC)機床等一些應用中，從編碼器發送到伺服器的MEMS振動資料可用於即時優化系統性能。

使用CbM並結合穩健且壽命更長的位置感測器，可以延長工業資產的使用壽命。磁感測器產生指示周圍磁場角位置的類比輸出，可以取代光學編碼器。磁編碼器可用於濕度較高、污垢嚴重和灰塵較大的區域。這些惡劣的環境會影響光學解決方案的性能和使用壽命。

對於機器人和其他應用，必須始終清楚機械系統的位置，哪怕在斷電的情況下也要明確知曉。標準機器人、協作機器人和其他自動化裝配設備在運行過程中突然斷電後，需要重新歸位元並初始化電源，這些停機時間會帶來一定的相關成本並導致效率低下。由ADI開發的磁性多圈記憶體 ²不需要外部電源也能記錄外部磁場的旋轉次數，因而可以縮減系統尺寸並降低成本。

對於機器人和協作機器人，馬達編碼器和關節編碼器通常需要16位元至18位元ADC性能，在某些情況下需要22位元ADC。有些光學絕對位置編碼器也需要高達24位元解析度的高性能ADC。

馬達編碼器訊號鏈

圖6、圖7、圖8和圖9展示了磁性（各向異性磁阻(AMR)和霍爾技術）、光學和旋變編碼器的編碼器訊號鏈。主要元件分為五大類：

1. 使用磁感測器（AMR、霍爾）追蹤軸位置和速度

2. 設備健康狀況監測

a. MEMS感測器

b. 溫度感測器

3. 智能

a. 具有/不具有整合ADC的微控制器

b. 旋變數位轉換器(RDC)

4. 電纜介面

a. 高速RS-485/RS-422收發器

b.SPI轉RS-485擴展器收發器

5. 訊號處理

a. 高性能ADC（12位元至24位元解析度）

磁編碼器(AMR)

感測

在磁位置感測器應用領域，AMR感測器兼具穩定可靠的性能和高精度。如圖6所示，感測器通常位於安裝在馬達軸上的偶極磁體對面。

AMR感測器對磁場方向變化很敏感，而霍爾技術對磁場強度很敏感。所以感測器對系統中的氣隙和機械公差變化具有很強的容忍度，這一點很具優勢。此外，AMR感測器的工作磁場沒有上限，因此，此種感測器在高磁場下工作時幾乎不受雜散磁場的影響。

ADA4571為一款低延遲整合訊號處理功能的AMR感測器，提供單端類比輸出。ADA4571單晶片解決方案提供良好的角度精度（典型角度誤差僅為0.10度），工作速度可高達50k rpm。ADA4571-2是雙通道版本，可提供完全備用能力而不影響性能，適合安全關鍵型應用。

ADA4570 是AAD4571的衍生產品，具有相同的性能，但提供差分輸出，適用於更惡劣的環境。ADA457x系列提供的高角度精度和可重複性改善了閉迴路控制，降低了馬達扭矩漣波和雜訊。相較於競爭技術，單晶片架構提高了可靠性，減少了尺寸和重量，並且更易於整合。

訊號處理和電源

AD7380 4 4 MSPS雙通道同步採樣、16位元SAR ADC具有許多系統級優勢，包括節省空間的3 mm × 3 mm封裝，這對於空間受限的編碼器PCB板非常重要。4 MSPS吞吐速率確保擷取到正弦和餘弦週期的詳細資訊，以及最新的編碼器位置資訊。高吞吐速率支援進行晶片內過採樣，進而縮短數位ASIC或微控制器將準確的編碼器位置回饋給馬達時的時間延遲。AD7380晶片內過採樣還有一個好處，其可以額外增加2位元解析度，進而與晶片內解析度增強功能輕鬆配合使用。應用筆記 AN-2003³詳細介紹了AD7380的過採樣和解析度增強功能。該ADC的 V_CC 和 V_DRIVE 以及放大器驅動器的電源軌可以由LDO穩壓器（例如LT3023）供電。ADP320、LT3023和 LT3029 等多路輸出低雜訊LDO可用來為訊號鏈中的所有元件供電。

收發器

ADM3066E RS-485收發器具備超低的發送器和接收器偏斜性能，所以非常適合用於傳輸精密時鐘， EnDat 2.2.⁴ 等馬達控制標準通常要求精密時脈。事實證明，ADM3065E在馬達控制應用中採用典型電纜長度的確定性抖動小於5%。ADM3065E具有較寬的電源電壓範圍，因此此種時序性能水準也可用於需要3.3 V或5 V收發器電源的應用。有關更多資訊，請參閱技術文章「"利用現場匯流排提升速度，擴大覆蓋範圍 」。"⁵

微控制器

對於需要12位元或更低解析度的應用，可以用整合ADC的微控制器來代替AD7380 ADC。小巧的 MAX32672 超低功耗 Arm^® Cortex^®-M4F 微控制器包含一個12位元1 MSPS ADC，具有增強的安全性、周邊和電源管理介面。

 

資產狀況監控

ADXL371 為一款超低功耗、3軸、數位輸出、±200g微機電系統(MEMS)加速度計，適用於機器監控。ADXL371性價比高，採用小型3 mm × 3 mm封裝，工作溫度高達+105°C。在即時導通模式下，ADXL371消耗1.7 μA的電流，同時能持續監測環境影響。當檢測到衝擊事件超過內部設定的閾值時，元件會切換到正常工作模式，其速度非常快以便記錄事件。

ADT7320 為一款高精度數位溫度感測器，無需使用者校準或校正，具有卓越的長期穩定性和可靠性。ADT7320的額定工作溫度範圍為-40°C至+150°C，採用小型4 mm × 4 mm LFCSP封裝。

表3.磁編碼器(AMR)訊號鏈推薦元件

元件	推薦產品型號
MEMS加速度計	ADXL371、 ADXL372、 ADXL314、ADXL375
溫度感測器	ADT7320
電源（LDO穩壓器）	ADP320、 LT3023、 LT3029
ADC，12位元、16位元SAR	MAX11198、 AD7380、 AD7866
AMR磁感測器	ADA4570、 ADA4571、 AD4571-2
雙通道比較器	LTC6702
收發器（RS-485、RS-422）	MAX22506E、 ADM3066E、 ADM4168E、 MAX22500E
微控制器，整合ADC	MAX32672、 MAX32662

磁編碼器（霍爾）

可以使用AD22151或 AD22151G設計霍爾編碼器。AD22151G 為一款線性磁場感測器，其輸出電壓與垂直施加於封裝上表面的磁場成比例。為了設計編碼器系統，將等間距的磁體放置在旋轉馬達軸上。當旋轉軸磁體經過霍爾感測器時，感測器輸出的電壓達到峰值。使用更多磁體或感測器可以獲得更高的解析度。霍爾效應編碼器可以使用MAX32672和ADM3066E以支援有線介面。ADXL371 MEMS和ADT7320可為惡劣的編碼器環境提供狀態監測。磁編碼器(AMR)部分則提供了有關這些訊號鏈元件的更多資訊。

表4.磁編碼器（霍爾）訊號鏈推薦元件

元件	推薦產品型號
MEMS加速度計	ADXL371、 ADXL372、 ADXL314、 ADXL375
溫度感測器	ADT7320
電源（LDO穩壓器）	ADP120、 ADP220、 ADP320、 LT3023、 LT3029、 LT3024、 LT3027
收發器(RS-485/RS-422)	MAX22506E、 ADM3066E、 ADM4168E、 MAX22500E
霍爾感測器	AD22151、 AD22151G
微控制器，整合ADC	MAX32672、 MAX32662

光學編碼器

光學編碼器訊號鏈元件與磁編碼器(AMR)部分介紹的元件幾乎相同。但是，為了支援更高的編碼器解析度，建議使用 AD7760 2.5 MSPS、24位元、100 dB Σ-Δ ADC。其融合了寬廣輸入頻寬、高速特性和Σ-Δ轉換技術的優勢，2.5 MSPS時訊號雜訊比(SNR)可達100 dB，因此非常適合高速資料擷取應用。

 

表5.光學編碼器訊號鏈推薦元件

元件	推薦產品型號
MEMS加速度計	ADXL371、ADXL372、 ADXL314、 ADXL375
溫度感測器	ADT7320
電源(LDO)	ADP320、 LT3023、 LT3029
ADC，12位元、16位元、24位元	MAX11198、 AD7380、 AD7866、 AD7760
精密運算放大器	ADA4622-4
雙通道比較器	LTC6702
收發器（RS-485、RS-422）	MAX22506E、 ADM3066E、 ADM4168E、 MAX22500E
微控制器，整合ADC	MAX32672、 MAX32662

旋變（耦合）編碼器

旋變編碼器具有一些優點，例如較高的機械可靠性和高精度；但相較於磁體和ADA4571，旋變器價格更為昂貴。

AD2S1200 將來自旋變器的訊號轉換為數位角度或角速率。圖10顯示了旋變器訊號鏈。兩個放大器用於創建三階巴特沃斯低通濾波器，以將旋變器訊號傳遞到AD2S1200。有關更多資訊，請參閱電路筆記CN0276。

為節省空間並降低設計複雜性，建議使用 LTC4332 SPI擴展器。LTC4332支援系統磁碟分割，提供了將微控制器置於伺服器中而非編碼器中的選項。如果編碼器需要微控制器，可以使用MAX32672 SPI介面直接連接AD2S1200，並且可以用ADM3065E RS-485收發器取代LTC4332。

如果使用LTC4332，AD2S1200 SPI輸出會轉換為穩健的差分現場匯流排界面。LTC4332包括三條從機選擇線，因此MEMS和溫度感測器等額外感測器可以與AD2S1200連接到同一條匯流排上。

表6.旋變編碼器訊號鏈推薦元件

元件	推薦產品型號
MEMS加速度計	ADXL371、 ADXL372、 ADXL314、 ADXL375
溫度感測器	ADT7320
電源（LDO穩壓器）	ADP120、 ADP220、 ADP320、LT3023、 LT3029、 LT3024、 LT3027
精密運算放大器	AD8694、 AD8692、 AD8397
收發器（SPI/RS-485、RS-485）	LTC4332、 ADM3065E
旋變數位轉換器	AD2S1200、 AD2S1205、AD2S1210

結論

ADI利用其深厚的領域專業知識和先進技術，協助合作夥伴設計未來工業馬達編碼器和網路。利用小巧而強大的微控制器、ADXL371 MEMS加速度計和ADT7320溫度感測器，可以輕鬆將資產健康洞察能力整合到編碼器中。相較於光學或旋變器感測解決方案，ADI先進的AMR磁感測器（例如ADA4571）提高了可靠性，減少了尺寸和重量，並且更易於整合到編碼器中。採用AD7380或AD7760等中高階ADC可實現貼片機和機器人所需的高精度和可重複性。

參考電路

¹Dayin Xu。 「"用於馬達回饋通訊的100BASE-T1L」 。Rockwell Automation，2022年5月。

²Stephen Bradshaw、Christian Nau和Enda Nicholl。 「具有真正上電能力與零功耗的多圈位置感測器(TPO)」 。 《類比對話》，第56卷第3期，2022年9月。

³Jonathan Colao。 「ADIAD7380系列SAR ADC的晶片內過採樣"」。ADI，2020年6月。

⁴「EnDat 2.2——位置編碼器的雙向介面」 。Heidenhain，2017年9月。

⁵Richard Anslow和Neil Quinn。 「利用現場匯流排提升速度，擴大覆蓋範圍」 。ADI，2020年3月。