免電池多轉(zhuǎn)絕對式機械編碼器的研制

近年來，對電機，尤其是用于關(guān)鍵定位應(yīng)用的電機提出了更高的精度、可靠性和安全性要求。此類系統(tǒng)通常使用帶有編碼器反饋的伺服電機和備用電池，使其能夠執(zhí)行閉環(huán)絕對控制。根據(jù)這些要求，開發(fā)了無電池、多旋轉(zhuǎn)絕對式機械編碼器。閉環(huán)系統(tǒng) AlphaStep AZ 系列采用這種類型的傳感器，目前已上市。

一、簡介

Oriental Motor 創(chuàng)造了即使主電源突然關(guān)閉也能保留定位信息的產(chǎn)品。有了這種內(nèi)置的能力，在系統(tǒng)內(nèi)保留信息可以減少傳感器并提高可靠性。該系統(tǒng)還集成了監(jiān)控電機和驅(qū)動器的能力以及安全標(biāo)準(zhǔn)功能。歷史上，機械傳感器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。它們價格昂貴且體積大。由于這些原因，即使在今天，主流傳感器仍然是電池備份系統(tǒng)，這在絕對系統(tǒng)中很常見。對于基于電池的系統(tǒng)，失去主電源后定位信息的保留時間在很大程度上取決于電池的容量。電池維護也是一個問題，因為電池會耗盡，需要更換和妥善處置。這些問題的解決方案現(xiàn)在可以在一個強大、高度可靠的系統(tǒng)中找到，無論電源何時關(guān)閉，例如在安全情況下或在海外運輸設(shè)備時，該系統(tǒng)都會提供反饋。此功能消除了對電池、附加傳感器和復(fù)雜布線的需要，并為當(dāng)今先進設(shè)備所需的長期服務(wù)提供了信心。

Oriental Motor開始設(shè)計采用高精度樹脂零件的機構(gòu)，同時著重于緊湊的機身方面。Oriental Motor通過內(nèi)置近年來飛速發(fā)展的磁傳感器，成功開發(fā)了小型且價格合理的多旋轉(zhuǎn)絕對式編碼器(專利申請中)。這稱為“機械絕對編碼器”(參見圖 1)，它是 AZ 系列電機和驅(qū)動器組合的特色，是齒輪或執(zhí)行器解決方案的一部分。

AZ系列搭載機械式絕對式編碼器，不僅繼承了alpha step的“免調(diào)諧”、“高效”等特點，還實現(xiàn)了無電池多轉(zhuǎn)絕對式系統(tǒng)(見圖2).

2. 機械式絕對傳感器：位置檢測原理及結(jié)構(gòu)

機械式絕對編碼器通過在電機軸的中心安裝磁鐵，在磁鐵正上方的電路板上安裝磁傳感器，檢測 1 轉(zhuǎn)(360°)以內(nèi)的坐標(biāo)。這種特殊的磁鐵在中心有 2 個磁極，在外邊緣有多個磁極(參見圖 3)。通過讀取中心和外邊緣的磁極產(chǎn)生的磁通量方向和相位差來檢測坐標(biāo)。這是為了計算準(zhǔn)確的位置坐標(biāo)。

總共有 4 個包含磁鐵的齒輪，其配置方式為第 1 齒輪驅(qū)動第 2 和第 4 齒輪，而第 2 齒輪驅(qū)動第 3 齒輪(參見圖 4)。

每個齒輪由不同的齒數(shù)組成，因此，每次電機軸旋轉(zhuǎn)時，齒輪之間的相位差都會發(fā)生變化。利用齒數(shù)比產(chǎn)生的相位差，以1齒(1齒)為單位檢測齒輪相位差?；谙辔徊畹慕M合，計算多旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(參見圖5)。

只要在 1 個間距以內(nèi)，就可以檢測到反向間隙。然而，除了間隙之外，坐標(biāo)檢測的誤差可能是由于多個磁鐵彼此放置得太近時磁力的干擾，或者是零件精度故障引起的?？紤]到這些方面，齒隙的設(shè)計值甚至小于齒輪的 1 個齒距。

所有齒輪的相位差設(shè)計為在旋轉(zhuǎn) 1,800 次后恢復(fù)到初始狀態(tài)。利用此功能，機械式絕對傳感器可以檢測最多 1,800 圈的多圈坐標(biāo)?？蓹z測多旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的1,800轉(zhuǎn)數(shù)是Oriental Motor產(chǎn)品齒輪比變化的共同倍數(shù)，因此可以輕松控制齒輪箱輸出軸的坐標(biāo)。

下面舉例進一步說明多轉(zhuǎn)檢測原理： 假設(shè)驅(qū)動側(cè)齒輪有9個齒，非驅(qū)動側(cè)齒輪有10個齒。傳動側(cè)齒輪每轉(zhuǎn)一圈，非傳動側(cè)齒輪轉(zhuǎn)324°，即少36°(360°/10)，為一個齒的角度。重復(fù)旋轉(zhuǎn)時，這些齒輪的定位關(guān)系每旋轉(zhuǎn)36°，旋轉(zhuǎn)10圈后又回到初始狀態(tài)。

使用這些齒輪的組合時，可以檢測10圈的多圈坐標(biāo)。從幾個齒輪的相位差檢測多轉(zhuǎn)坐標(biāo)的原理類似于時鐘的時針、分針、秒針的角度(相位差)組合來計時的原理。

由于以下原因，樹脂材料用于齒輪和編碼器外殼：

機械絕對編碼器采用磁鐵和磁傳感器。 如果將磁性材料用于該結(jié)構(gòu)，它們會干擾磁通量的方向，因此位置檢測變得非常困難。由于樹脂是非磁性材料，因此不會影響檢測精度。

樹脂具有自潤滑特性，耐磨性和耐磨性極佳。

與貴金屬材料相比，樹脂可以使包括編碼器在內(nèi)的電機質(zhì)量變輕，齒輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量變小。

為了使編碼器本身緊湊，其結(jié)構(gòu)設(shè)計使安裝有磁性編碼器的電路板更靠近齒輪機構(gòu)。使用導(dǎo)電材料時，如果產(chǎn)生摩擦粉塵，可能會導(dǎo)致電路短路。

當(dāng)試圖防止摩擦灰塵進入電路時，結(jié)構(gòu)會變得過于復(fù)雜，導(dǎo)致零件成本增加和生產(chǎn)率惡化。

3.機械編碼器的耐用性

如前所述，機械式絕對編碼器通過采用齒輪機構(gòu)來利用多旋轉(zhuǎn)位置檢測。機械絕對值編碼器中的齒輪通過在齒輪之間產(chǎn)生相位差來實現(xiàn)多旋轉(zhuǎn)位置檢測的目的，而不是用于動力傳遞的目的。因此，它們幾乎沒有負載驅(qū)動。這些齒輪的材質(zhì)使用了具有自潤滑性、耐磨損性優(yōu)異的樹脂和樹脂專用潤滑脂，具有高耐久性。

從耐磨性和耐沖擊性的角度來看，進行了以下單向連續(xù)運行和瞬時雙向運行的測試，以確認(rèn)齒輪的高耐久性。

通過在上述條件下測量規(guī)定時間內(nèi)的齒隙，測試齒輪的齒面磨損量。結(jié)果，沒有檢測到間隙隨時間的惡化。

試驗在上述條件下進行。與測試 1 的測試結(jié)果一樣，沒有檢測到齒輪之間的背隙增加，或者沒有檢測到隨時間的惡化。

4. 帶機械式絕對值編碼器的 AZ 系列的特點

AZ系列是一款閉環(huán)步進電機套件，配備了新開發(fā)的機械絕對編碼器，采用無電池多旋轉(zhuǎn)絕對系統(tǒng)。機械絕對編碼器檢測絕對坐標(biāo)，使電機有一個原點位置。因此，不需要進行返航操作。即使需要原點返回操作，也不需要外部傳感器，因為電機有自己的原點位置。一般情況下，使用外部傳感器進行高精度原點復(fù)歸時，需要考慮傳感器的ON/OFF檢測的采樣周期，以極低的速度進行。根據(jù)情況，這需要很長時間。還有，為了提高返航精度，還需要一點小匠心，比如，

使用 AZ 系列產(chǎn)品時，用戶無需擔(dān)心速度或編碼器精度。原點回歸運行的速度限制可以在電機可以驅(qū)動的范圍內(nèi)自由設(shè)定。此外，可以在保持電機定位精度的同時執(zhí)行原點返回操作(參見圖 7)。

此外，在傳統(tǒng)的控制電機中，光學(xué)編碼器通常用作安裝在設(shè)備上的傳感器(限位傳感器等)。然而，空氣中的油霧或灰塵有時會導(dǎo)致光學(xué)編碼器發(fā)生故障或誤識別。通過使用 AZ 系列產(chǎn)品，不再需要編碼器，從而減少與編碼器相關(guān)的故障。由于電線的消除，編碼器的消除也節(jié)省了成本。不再需要為編碼器接線所需的人工。使用外部編碼器設(shè)置設(shè)備原位時，需要將編碼器安裝在目標(biāo)位置，這可能需要對距離進行細微調(diào)整。相反，AZ 系列可以通過使用“Home Position Reset Function”輕松選擇和設(shè)置任何給定位置作為原點位置。

5. 監(jiān)控

AZ系列能夠監(jiān)控駕駛員和電機信息，并在需要時中繼信息。監(jiān)控功能可分為 3 個主要類別：駕駛員數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)和警報歷史記錄。

驅(qū)動器數(shù)據(jù)包含驅(qū)動器名稱、序列號、電源周期計數(shù)、電源電壓、通信設(shè)置甚至撥碼開關(guān)設(shè)置等信息。運行數(shù)據(jù)包含與電機運動相關(guān)的信息，例如：電機位置、電機轉(zhuǎn)速、電機/驅(qū)動器溫度、扭矩監(jiān)控器。警報歷史記錄數(shù)據(jù)包含故障列表、時間戳以及故障期間發(fā)生的情況的詳細信息。驅(qū)動程序?qū)⑻峁┨囟ㄐ畔⒋a，以便快速隔離問題。

通過使用驅(qū)動程序提供的可用信息，您可以監(jiān)控電機并評估系統(tǒng)的性能。這些信息可以通過 RS-485 通信端口由 PC、HMI 或 PLC 輕松檢索。

驅(qū)動器數(shù)據(jù)

AZ 系列驅(qū)動器具有內(nèi)置的串行通信協(xié)議 (MODBUS RTU)。串行通信允許用戶檢索驅(qū)動器數(shù)據(jù)。

6.總結(jié)

AZ 系列配備了新開發(fā)的機械絕對編碼器，可以使用無電池多旋轉(zhuǎn)絕對系統(tǒng)。通過消除外部傳感器和維護成本，它有助于降低用戶整體設(shè)備的成本。AZ 系列能夠監(jiān)控驅(qū)動器和電機信息，并在需要時轉(zhuǎn)發(fā)信息。這有助于定期維護，最大限度地減少代價高昂的停機時間。

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審核編輯：湯梓紅