При проектировании суставов роботов, серводвигателей, колесных систем AGV и даже роботов-гуманоидов магнитные энкодеры (роботные магнитные энкодеры) постепенно заменяют традиционные оптические энкодеры в качестве основных компонентов обратной связи по положению и скорости. Их преимущества — бесконтактное измерение, устойчивость к загрязнениям, виброустойчивость и компактная конструкция — привели к широкому распространению в промышленной автоматизации и интеллектуальной робототехнике.
Столкнувшись с многочисленными параметрами и выходными интерфейсами датчиков магнитных энкодеров, представленных на рынке, инженеры часто приходят в замешательство: всегда ли более высокое разрешение лучше? Какая связь между разрешением и точностью? Как вы выбираете между SPI, SSI и ABZ? В этой статье представлено четкое руководство по выбору для разработчиков роботов по этим трем основным вопросам.
1. Отличие разрешения от точности: высокое разрешение ≠ высокая точность.
Разрешение и точность — два параметра, которые легче всего спутать, но они имеют совершенно разные значения.
Разрешение относится к наименьшему угловому изменению, которое энкодер может считать и вывести, что отражает «точность» измерения. Абсолютные энкодеры обычно используют биты, например, 14 бит (16384 шагов/об), 17 бит (131072 шагов/об); инкрементные энкодеры используют количество импульсов на оборот (PPR), например 1024 PPR. Проще говоря, разрешение определяет, насколько точно вы можете разделить полный круг на 360° — чем выше биты, тем точнее деление.
Точность относится к отклонению между выходным сигналом энкодера и фактическим физическим углом, отражающим «правильность» измерения. Точность обычно выражается в градусах (°) или угловых минутах (угловых минутах) и зависит от множества факторов: качества магнита, эксцентриситета крепления, температурного дрейфа, магнитного шума и т. д. Как правило, качество магнитного кольца определяет точность, а считывающая головка (чип) определяет разрешение и повторяемость.
Существует распространенная ошибка: высокое разрешение не обязательно обеспечивает высокую точность. 14-битный магнитный энкодер может разделить один оборот на 16384 шага, но если точность намагничивания магнита низкая или имеется эксцентриситет при монтаже, фактическая измеренная точность может составлять всего ± 1,0 °, а разрешение намного превышает точность. В крайних случаях ошибка между разрешением и точностью может достигать более 50 раз. При выборе датчика приоритет следует отдавать характеристикам калиброванной точности, а не просто достижению высокого разрешения.
Как разумно сопоставить разрешение? Эмпирическая формула: Разрешение ≥ 360° ÷ требования к точности позиционирования. Например, если требование к точности позиционирования составляет ±0,1°, то разрешение должно быть не менее 360 ÷ 0,1 = 3600 строк (около 11,8 бит). На практике целесообразно оставлять запас и выбирать на один уровень выше расчетного значения.
2. Как выбрать протоколы связи: ABZ, SPI, SSI. Сопоставление сцен.
Протокол связи датчика магнитного энкодера напрямую влияет на сложность проводки, помехоустойчивость и производительность в режиме реального времени. Их можно грубо разделить на инкрементные интерфейсы и абсолютные интерфейсы.
Инкрементный интерфейс (ABZ) : квадратурные импульсные выходы A/B с разницей фаз 90° для определения скорости и направления и канал Z для одного нулевого импульса на оборот. Самыми большими преимуществами интерфейса ABZ являются хорошая совместимость и низкая стоимость; это стандартный формат ввода для большинства сервоприводов и ПЛК. Однако инкрементные энкодеры не сохраняют информацию о положении после отключения питания и требуют цикла возврата в исходное положение при запуске. Подходит для приводов шаговых двигателей, измерения скорости конвейера и других приложений управления скоростью или простого определения положения.
Интерфейс SPI : синхронный последовательный интерфейс, может напрямую считывать абсолютные значения угла, а также поддерживает настройку встроенных регистров и диагностику магнитного поля. SPI обеспечивает высокую производительность в режиме реального времени и простоту подключения, что делает его пригодным для таких приложений, как управление FOC, требующих быстрого считывания угла.
Интерфейс SSI : промышленная версия синхронного последовательного интерфейса, использующая дифференциальную передачу тактового сигнала и данных, с высокой помехозащищенностью и дальностью передачи до 100 метров. SSI поддерживает разрешение 12–25 бит и является основным интерфейсом абсолютного энкодера в промышленных средах. Подходит для абсолютного позиционирования на больших расстояниях в условиях сильных электромагнитных помех.
Руководство по быстрому выбору :
· Короткое расстояние, низкая стоимость, контроль скорости → Односторонний интерфейс ABZ
· Большое расстояние, высокие помехи, требуется абсолютное положение → Дифференциальный интерфейс ABZ или SSI
· Высокая точность, отсутствие необходимости возврата в исходное положение, управление FOC → абсолютный интерфейс SPI/SSI/I²C
3. Рекомендации по выбору трех основных приложений робота
3.1 Соединения роботов (коллаборативные роботы, роботы-гуманоиды)
Соединения робота требуют от энкодера высочайшей точности, разрешения и надежности. Обычно выбираются абсолютные энкодеры, использующие технологию TMR или AMR. Рекомендуемое разрешение 18 бит и выше, точность не хуже ±0,05°. Для связи интерфейс SPI может напрямую взаимодействовать с общим чипом драйвера, что подходит для управления FOC в режиме реального времени. Кроме того, из-за компактности места в соединениях робота следует отдавать предпочтение изделиям в небольшой упаковке (например, QFN 3×3 мм), используемым с радиально намагниченными магнитами NdFeB.
3.2 Колесные системы AGV/AMV
Колесные энкодеры AGV в основном используются для регулирования скорости и одометрии. Требования к разрешению умеренные (достаточно 14–17 бит), но адаптация к окружающей среде и надежность имеют решающее значение. Поскольку AGV часто работают в пыльных и влажных средах, устойчивость магнитных энкодеров к загрязнениям является явным преимуществом. Интерфейс ABZ можно использовать для прямого подключения к драйверу двигателя или интерфейс SSI для передачи данных на большие расстояния.
3.3 Серводвигатели (промышленная автоматизация)
Серводвигателям требуется как высокое разрешение для улучшения плавности и динамической жесткости на низких скоростях, так и достаточная точность для обеспечения правильности позиционирования. Рекомендуемое разрешение начинается от 15–17 бит с точностью не хуже ±0,1°. Для связи абсолютные интерфейсы стали основным выбором для высокопроизводительных сервоприводов. Интерфейсы SSI или BiSS обеспечивают стабильную передачу в промышленных средах с сильными электромагнитными помехами.
4. Ловушки, которых следует избегать после выбора
Даже если параметры выбора верны, практические приложения могут столкнуться со следующими проблемами:
· Точность монтажа : Эксцентриситет между магнитом и чипом должен строго контролироваться, обычно ≤0,3 мм, с осевым зазором 0,5–1,5 мм. Превышение этих пределов вносит дополнительные нелинейные ошибки.
· Электромагнитные помехи : сильные электромагнитные помехи от двигателей, инверторов и т. д. являются основной причиной искажения сигнала. Рекомендуется использовать дифференциальные выходные интерфейсы в сочетании с экранированными кабелями витой пары (экран с заземлением на одном конце).
· Адаптивность к окружающей среде : Для применений с постоянным погружением в воду или конденсацией высокой влажности выбирайте изделия со степенью защиты IP67 или выше. Для промышленного класса обычно требуется диапазон рабочих температур от -40°C до +85°C.
5. Датчики магнитного энкодера робота SDM
В процессе отечественного производства магнитных энкодеров компания SDM пошла по дифференцированному технологическому пути производства. Основные преимущества датчиков-роботов-магнитных энкодеров отражены в следующих трех областях:
Интегрированный процесс литья под давлением : SDM использует процесс литья под давлением для формирования магнитных материалов и конструкционного пластика за один прием, заменяя традиционный процесс сборки из нескольких частей. Интеграция литья под давлением дает значительные преимущества: короткий технологический процесс, низкое энергопотребление, небольшое количество ограничений по форме, высокая эффективность производства и хорошая точность размеров. Этот процесс значительно улучшает размерную стабильность и механическую прочность магнитного кольца энкодера, закладывая основу для последующей стабильности магнитных характеристик.
Технология намагничивания магнитной печати : на этапе намагничивания SDM использует высокоточную технологию «магнитной печати», записывая схемы полюсов по точкам. По сравнению с традиционным объемным намагничиванием это значительно повышает точность положения полюсов и однородность магнитного поля. Процессы намагничивания с большим количеством полюсов и высокой точностью требуют чрезвычайно точного оборудования и инструментов; они должны быть выполнены на специальных многополюсных намагничивающих устройствах с точным расположением и импульсными магнитными полями высокой интенсивности. Накопленный опыт SDM в этой области позволяет их магнитным энкодерам достигать высокого уровня точности деления полюсов.
Полная проверка формы сигнала . В отличие от большинства отечественных производителей магнитных энкодеров, которые полагаются на выборочную проверку, SDM выполняет полную проверку формы сигнала каждого датчика перед тем, как он покинет завод. Каждый продукт подвергается сканированию формы сигнала в различных условиях эксплуатации, охватывая все показатели производительности: межполюсную угловую ошибку, колебания напряженности магнитного поля, искажение сигнала и т. д. Полная проверка означает, что каждый датчик, который получает клиент, проходит индивидуальную проверку посредством реальных измерений, что обеспечивает лучшую согласованность и надежность продукта — важнейшее преимущество в таких приложениях, как соединения роботов, где надежность датчика имеет первостепенное значение.
От интеграции методом литья под давлением для обеспечения механической исходной информации магнитного кольца до намагничивания магнитной печати для обеспечения электрической точности магнитных полюсов и, наконец, до полного контроля формы сигнала, чтобы гарантировать выходное качество каждого продукта - полный замкнутый цикл процесса SDM обеспечивает полную управляемость каждого датчика магнитного энкодера от материала до готового продукта, предоставляя пользователям высокую согласованность и надежность выбора отечественных магнитных энкодеров.
