W przypadku robotów główną specyfikacją wydajności wymienioną w arkuszach danych jest powtarzalność i zazwyczaj rząd wielkości jest na poziomie submilimetrowym. Znając specyfikację powtarzalności i zasięg robota, można ekstrapolować z powrotem do specyfikacji enkodera obrotowego.
Powtarzalność kątową (θ), wymaganą dla enkodera przegubu, można wyprowadzić z trygonometrii: tan odwrotność powtarzalności robota podzielona przez zasięg.
θ = tan-1 Powtarzalność (1)
Zasięg
Wiele przegubów łączy się, aby osiągnąć całkowity zasięg robota. Czujnik powinien mieć wyższą wydajność niż docelowa dokładność kątowa. Specyfikacja powtarzalności dla każdego przegubu musi zostać poprawiona, a tutaj zakłada się poprawę o współczynnik 10. W przypadku enkodera silnika powtarzalność jest definiowana przez przełożenie przekładni (G).
Na przykład w systemach robotów przedstawionych w tabeli 2, dla enkodera przegubu wymagane są specyfikacje powtarzalności od 20 do 22 bitów, podczas gdy dla enkodera silnika wymagane są rozdzielczości od 14 do 16 bitów.
Specyfikacja
Przyszłe trendy dla technologii enkoderów silnikowych
Badania firmy Rockwell1 dotyczące serwonapędów, enkoderów i portów komunikacyjnych enkoderów wykazują roczny wzrost o 20% w zakresie nadajników-odbiorników do komunikacji ze sprzężeniem zwrotnym. Obecnie badane są nadajniki-odbiorniki jednoparowe Ethernet (SPE), które obsługują komunikację 100 Mb/s przez dwa przewody (standard IEEE 802.3dg 100BASE-T1L)1, a przyszłe interfejsy napędów enkoderów będą korzystać z niskiego opóźnienia, docelowo ≤1,5 µs. Niskie opóźnienia pozwolą na szybsze pozyskiwanie danych sprzężenia zwrotnego i skrócenie czasu reakcji pętli sterowania.
Monitorowanie oparte na stanie (CbM) robotyki i maszyn wirujących, takich jak turbiny, wentylatory, pompy i silniki, rejestruje dane w czasie rzeczywistym związane ze stanem i wydajnością maszyny, aby umożliwić ukierunkowaną konserwację predykcyjną, a także zoptymalizowane sterowanie. Ukierunkowana konserwacja predykcyjna, na wczesnym etapie cyklu życia maszyny, zmniejsza ryzyko przestojów produkcyjnych, co skutkuje zwiększoną niezawodnością, znacznymi oszczędnościami kosztów i zwiększoną produktywnością na hali produkcyjnej. Wykorzystanie akcelerometrów MEMS, umieszczonych w enkoderze, zapewnia sprzężenie zwrotne drgań dla maszyn, w których kontrola jakości ma krytyczne znaczenie. Dodanie akcelerometru MEMS do enkodera jest wygodne, ponieważ enkoder ma już istniejące okablowanie, komunikację i zasilanie, aby zapewnić sprzężenie zwrotne drgań do kontrolera. W niektórych zastosowaniach, takich jak maszyny CNC, dane o drganiach MEMS przesyłane z enkodera do serwomechanizmu mogą być wykorzystywane do optymalizacji wydajności systemu w czasie rzeczywistym.
Wydłużenie okresu użytkowania zasobów przemysłowych za pomocą CbM można uzupełnić solidnymi czujnikami położenia o dłuższej żywotności. Zamiast enkoderów optycznych można stosować czujniki magnetyczne, które generują analogowe sygnały wyjściowe wskazujące położenie kątowe otaczającego pola magnetycznego. Enkodery magnetyczne mogą być stosowane w obszarach o wyższej wilgotności, zabrudzeniu i zapyleniu. Te trudne warunki pogarszają wydajność i żywotność rozwiązań optycznych.
W robotyce i innych zastosowaniach pozycja systemu mechanicznego musi być zawsze znana, nawet w przypadku utraty zasilania. Jednym z głównych kosztów i nieefektywności związanych ze standardowymi robotami, cobotami i innym zautomatyzowanym sprzętem montażowym jest wynikający z tego czas przestoju wymagany do przywrócenia i zainicjowania zasilania po nagłej utracie zasilania podczas pracy. Magnetyczna pamięć wieloobrotowa opracowana przez firmę Analog Devices2 nie wymaga zewnętrznego zasilania do rejestrowania liczby obrotów zewnętrznego pola magnetycznego. Prowadzi to do zmniejszenia rozmiaru i kosztów systemu.
W przypadku robotów i cobotów, enkodery silników i enkodery przegubów zazwyczaj wymagają 16- lub 18-bitowych przetworników ADC, a w niektórych przypadkach wymagane są 22-bitowe przetworniki ADC. Wysokowydajne przetworniki ADC o rozdzielczości do 24 bitów są również wymagane w przypadku niektórych optycznych enkoderów pozycji absolutnej.
Łańcuchy sygnałowe enkodera silnika
Rysunki 6, 7, 8 i 9 ilustrują łańcuchy sygnałowe enkodera dla enkoderów magnetycznych (anizotropowych magnetorezystancyjnych (AMR) i Halla), optycznych i rezolwerowych. Komponenty są pogrupowane w pięć głównych kategorii:
- Śledzenie położenia i prędkości wału za pomocą czujników magnetycznych (AMR, Hall) 2. Monitorowanie stanu maszyny
- Czujniki MEMS
- Czujniki temperatury
- Inteligencja
- Mikrokontroler z/bez zintegrowanego przetwornika ADC
- Przetwornik cyfrowo-analogowy (RDC)
- Interfejs kablowy
- Szybki transceiver RS-485/RS-422
- Nadajnik-odbiornik SPI do RS-485
- Kondycjonowanie sygnału
- Wysokowydajne przetworniki ADC (rozdzielczość od 12 do 24 bitów)
Enkoder magnetyczny (AMR)
Czujniki
W dziedzinie magnetycznych czujników położenia, czujniki AMR zapewniają najlepsze połączenie solidności i dokładności. Czujnik jest zwykle umieszczony naprzeciwko magnesu dipolowego przymocowanego do wału silnika, jak pokazano na rysunku 6.
Czujniki AMR są wrażliwe na zmiany kierunku pola magnetycznego, w przeciwieństwie do technologii Halla, która jest wrażliwa na natężenie pola. Wynikająca z tego zaleta polega na tym, że czujnik jest bardzo tolerancyjny na zmiany szczeliny powietrznej i tolerancji mechanicznej w systemie. Ponadto, ponieważ w przypadku czujników AMR nie ma górnego limitu działającego pola magnetycznego, czujnik jest wyjątkowo odporny na błądzące pola magnetyczne podczas pracy z wysokim polem magnetycznym.
ADA4571 jest czujnikiem AMR ze zintegrowanym układem kondycjonowania sygnału o niskim opóźnieniu i zapewnia wyjście analogowe typu single-ended. Jednoukładowe rozwiązanie ADA4571 zapewnia gwarantowaną dokładność kątową (tylko 0,10 typowego błędu kątowego) i może pracować z prędkością do 50 tys. obr. ADA4571-2 to wersja podwójna, która zapewnia pełną redundancję bez pogorszenia wydajności w aplikacjach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa.
