協作機器人定位分毫不差 電感感測器旋轉位置精度高
機器人和協作機器人(Cobots)應用的大幅增加，使自動化的效率和安全性得以提高，是正在進行的第四次工業革命(I4.0)的一大驅動力。為了確保對終端任務的精確控制，如在裝配線上拾取和放置物體或確保操作人員的安全，必須為每個旋轉點提供準確的角度位置測量。事實上，機器人終端功能的精度歸根結底受限於每個可動關節所能達到的累積精度。
由於光學編碼器可以提供高精確度，因此在工業應用中經常使用它們來提供旋轉位置。然而，光學編碼器價格昂貴，物料清單(BOM)龐大，而且它們的性能會因為工業環境中常見的污染物和震動的存在而降低。另一方面，電感式旋轉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準。因此，它們的應用主要限於不需要高精度的汽車應用。在這篇文章中，筆者概述了旋轉編碼器的主要性能規格，然後介紹創新的電感式感測器，其可達到與其光學同類產品相當的精度水準。
選擇編碼器
旋轉編碼器測量軸的角位置並將其轉換為數位值。當為一個應用選擇編碼器時，關鍵的考慮因素是解析度(比特)、精度(弧秒)、可重複性、延遲、速度(RPM)和感測器的尺寸(直徑、毫米)。瞭解各種基礎編碼器技術將有助於在選擇編碼器時，根據應用需求在不同的技術間進行權衡取捨。
解析度
解析度是由一整圈的位置代碼總數決定的。由於一次旋轉中的代碼的數量是有限的，因此從一個讀數位置到下一個最接近的位置讀數的變化是最小的可檢測的位置變化。絕對編碼器的解析度通常以比特表示。對編碼器的一個常見誤解是，更高的解析度可以提高系統的精度。必須意識到，提高解析度不一定能提高精度。編碼器的解析度很可能遠高於其精度。
精度
編碼器精度是測量編碼器的輸出值，與被測軸的實際位置之間差異的量度。編碼器精度通常以度、弧分或弧秒為單位，標準編碼器的精度約為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到5角秒(0.0014度)。許多工業機器人應用需要50角秒或更高的精度。
重複性
重複性表示當軸在其他運動後回到同一位置時，系統能否穩定地再次測量。同一物理位置的測量輸出的任何差異都被測量為重複性誤差，通常以弧秒表示。
延遲
選擇編碼器時要考慮的另一個參數是系統的步階回應和延時。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。也就是，如果主控制器詢問編碼器的位置是什麼，需要多長時間才能得到回應。
速度
考慮到用於感測和處理感測器訊號的電子裝置的頻寬是有限的，在獲得準確的位置測量時，軸的旋轉速度是有限的。在軸處於一定的轉速下時，感測器的電子裝置可以不再跟上。
尺寸
位置感測器的尺寸是編碼器選擇過程中的一個重要考慮因素，因為不同的終端應用有不同的尺寸限制。值得注意的是，精度通常與感測器的直徑成正比。
轉換器類型
最常見的編碼器使用光學、電感或磁性轉換器，將角度旋轉轉換為可處理並進行數位轉換測量的電訊號。光學編碼器是最精確的，磁性編碼器是最不精確的，電感式編碼器的精度歷來介於二者之間，但在每個方向都有相當大的重疊。光學編碼器的精度越高，成本就越高。技術人員必須在精度要求和系統成本以及其他因素如可靠性、易用性和維護方面去權衡取捨，以找到滿足其需求的最佳解決方案。
電感應式編碼器
電感應式編碼器使用在印製電路板上的金屬導線製造電感線圈。與其他旋轉編碼器類似，電感應式編碼器包含兩個主要部分，一個是稱為定子的固定元件，和一個稱為轉子(目標)的移動元件。定子由一個發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，產生相對於轉子位置變化的訊號。在許多設計中，處理感測器訊號的電子電路也被整合到定子上。轉子不包含任何主動電路，由鐵磁材料或帶有銅等導電材料層或圖案的基板(例如PCB)製成。當交流電在定子上的發射器線圈上被驅動時，會產生一個電磁場。當轉子經過感測器時，在目標表面的導電圖案中產生渦流。這些渦流產生了一個相反的場，它調節了感測器和目標之間的磁通密度，這反過來又在定子的接收線圈上產生了一個電壓。接收器電壓的振幅和相位隨著目標相對於定子的旋轉而變化，以便計算目標的位置。
電感式編碼器有幾個關鍵優勢，使其成為工業應用的理想選擇：
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、電磁干擾和強烈振動。
2.由於電感式編碼器對機械振動的敏感性低，可以區分轉子到定子之間的平移，以及轉子到定子之間的旋轉。例如，它們可以區分旋轉運動(被測量)和X、Y或Z軸的振動(可以被濾除)。
3.穩定性。電感式編碼器利用整個轉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確性和可重複性要比磁感應高好幾個數量級。
創新的電感技術
雖然電感式編碼器的特點使其在工業應用中非常有吸引力，但歷來用例僅限於對精度要求不高(例如<100s角秒)和低轉速的應用。產品如安森美的NCS32100是新的雙電感式旋轉位置感測器，在工業應用中可提供中高階光學編碼器通常具有的高精度與高轉速(圖1)。這創新的裝置採用專利認證的技術，有八個訊號通道，可以以各種方式分配給多達八個定子線圈使用，以提供精細和粗略的定位。
圖1 雙電感式旋轉位置感測器
當與相應的定子和轉子線圈配對時，此產品可在高速和高精確度下計算絕對位置。該產品可超越最先進的電感式編碼器，在高達6,000RPM的速度下實現50角秒或更高的精度。它支援高達100,000RPM的速度(精度會降低)，一個高度整合的感測器包含一個帶有嵌入式快閃記憶體的Arm...
2023 年 03 月 20 日
