本文作者：安森美產品營銷Bryson Barney

機器人和協作機器人（cobots）應用的激增，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于每個可動關節所能達到的累積精度。由于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振動的存在而降低。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平。

因此，它們的應用主要限于不需要高精度的汽車應用。在這篇文章中，我們概述了旋轉編碼器的主要性能規格，然后介紹一種創新的電感式傳感器，其可達到與其光學同類產品相當的精度水平。

圖1：工業生產線上的機械臂

選擇編碼器

旋轉編碼器測量軸的角位置并將其轉換為數字值。當為一個應用選擇編碼器時，關鍵的考慮因素是分辨率（比特）、精度（弧秒）、可重復性、延遲、速度（RPM）和傳感器的尺寸（直徑，毫米）。了解各種基礎編碼器技術將有助于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舍。

分辨率：分辨率是由一整圈的位置代碼總數決定的。由于一次旋轉中的代碼的數量是有限的，故而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。

重復性：重復性表示當軸在其他運動后回到同一位置時，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復性誤差，通常以角秒表示。

延遲：選擇編碼器時要考慮的另一個參數是系統的步進響應和延時。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。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？

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，在獲得準確的位置的測量時，軸的旋轉速度是有限的。在軸處于一定的轉速下時，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，精度通常與傳感器的直徑成正比。

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并進行數字轉換測量的電信號。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于二者之間，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。客戶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線制造電感線圈。與其他旋轉編碼器類似，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，產生相對于轉子位置變化的信號。在許多設計中，處理傳感器信號的電子電路也被集成到定子上。轉子不包含任何有源電路，由鐵磁材料或帶有銅等導電材料層或圖案的基板（例如，PCB）制成。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。當轉子經過傳感器時，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，它調節了傳感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于定子的旋轉而變化，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：

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。

由于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）。

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。

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復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，但歷來用例僅限于對精度要求不高（例如，<100s 角秒）和低轉速的應用。安森美的NCS32100是一種新的雙電感式旋轉位置傳感器，在工業應用中可提供中高端光學編碼器通常具有的高精度與高轉速。這創新的裝置采用專利認證的技術，有八個信號通道，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。

當與相應的定子和轉子線圈配對時，NCS32100 可在高速和高精確度下計算絕對位置。NCS32100可輕松超越最先進的電感式編碼器，在高達6,000 RPM的速度下實現50角秒或更高的精度。它支持高達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、傳感器功能失常或檢測到過熱情況時發出警告。它還帶有一個集成的以及能夠快速自我校準的程序（以盡量減少生產停機時間），使其能夠補償PCB的不對稱性。這種校準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，對生產時間的影響最小。它有一個易于使用的編程界面，可結合各種傳感器和PCB使用，實現不同設計、形狀、尺寸和外形因素，以獲得最大的設計靈活性。

圖2：雙電感式旋轉位置傳感器

NCS32100將工業位置感測提升到新的水平

工業機器人和協作機器人需要越來越強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境因素有很好的抗干擾性，對這些工業應用有很大的吸引力。雖然過去電感式編碼器的相對不精確性限制了其在復雜的機電系統中的應用，但現在安森美的旋轉位置傳感器為工業應用中的旋轉感測提供了最佳解決方案。安森美的NCS32100旋轉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，在高速工業應用中實現了新一代高精度旋轉位置編碼器。

編輯：黃飛

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