免電池多轉(zhuǎn)絕對(duì)式機(jī)械編碼器的研制

近年來(lái)，對(duì)電機(jī)，尤其是用于關(guān)鍵定位應(yīng)用的電機(jī)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(jī)和備用電池，使其能夠執(zhí)行閉環(huán)絕對(duì)控制。根據(jù)這些要求，開發(fā)了無(wú)電池、多旋轉(zhuǎn)絕對(duì)式機(jī)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(jiǎn)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(jī)和驅(qū)動(dòng)器的能力以及安全標(biāo)準(zhǔn)功能。歷史上，機(jī)械傳感器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。它們價(jià)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(duì)系統(tǒng)中很常見。對(duì)于基于電池的系統(tǒng)，失去主電源后定位信息的保留時(shí)間在很大程度上取決于電池的容量。電池維護(hù)也是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)殡姵貢?huì)耗盡，需要更換和妥善處置。這些問(wèn)題的解決方案現(xiàn)在可以在一個(gè)強(qiáng)大、高度可靠的系統(tǒng)中找到，無(wú)論電源何時(shí)關(guān)閉，例如在安全情況下或在海外運(yùn)輸設(shè)備時(shí)，該系統(tǒng)都會(huì)提供反饋。此功能消除了對(duì)電池、附加傳感器和復(fù)雜布線的需要，并為當(dāng)今先進(jìn)設(shè)備所需的長(zhǎng)期服務(wù)提供了信心。

Oriental Motor開始設(shè)計(jì)采用高精度樹脂零件的機(jī)構(gòu)，同時(shí)著重于緊湊的機(jī)身方面。Oriental Motor通過(guò)內(nèi)置近年來(lái)飛速發(fā)展的磁傳感器，成功開發(fā)了小型且價(jià)格合理的多旋轉(zhuǎn)絕對(duì)式編碼器(專利申請(qǐng)中)。這稱為“機(jī)械絕對(duì)編碼器”(參見圖 1)，它是 AZ 系列電機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(jī)械式絕對(duì)式編碼器，不僅繼承了alpha step的“免調(diào)諧”、“高效”等特點(diǎn)，還實(shí)現(xiàn)了無(wú)電池多轉(zhuǎn)絕對(duì)式系統(tǒng)(見圖2).

2. 機(jī)械式絕對(duì)傳感器：位置檢測(cè)原理及結(jié)構(gòu)

機(jī)械式絕對(duì)編碼器通過(guò)在電機(jī)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(cè) 1 轉(zhuǎn)(360°)以內(nèi)的坐標(biāo)。這種特殊的磁鐵在中心有 2 個(gè)磁極，在外邊緣有多個(gè)磁極(參見圖 3)。通過(guò)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(lái)檢測(cè)坐標(biāo)。這是為了計(jì)算準(zhǔn)確的位置坐標(biāo)。

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

每個(gè)齒輪由不同的齒數(shù)組成，因此，每次電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪之間的相位差都會(huì)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(cè)齒輪相位差?；谙辔徊畹慕M合，計(jì)算多旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(參見圖5)。

只要在 1 個(gè)間距以內(nèi)，就可以檢測(cè)到反向間隙。然而，除了間隙之外，坐標(biāo)檢測(cè)的誤差可能是由于多個(gè)磁鐵彼此放置得太近時(shí)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(jì)值甚至小于齒輪的 1 個(gè)齒距。

所有齒輪的相位差設(shè)計(jì)為在旋轉(zhuǎn) 1,800 次后恢復(fù)到初始狀態(tài)。利用此功能，機(jī)械式絕對(duì)傳感器可以檢測(cè)最多 1,800 圈的多圈坐標(biāo)。可檢測(cè)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(jìn)一步說(shuō)明多轉(zhuǎn)檢測(cè)原理： 假設(shè)驅(qū)動(dòng)側(cè)齒輪有9個(gè)齒，非驅(qū)動(dòng)側(cè)齒輪有10個(gè)齒。傳動(dòng)側(cè)齒輪每轉(zhuǎn)一圈，非傳動(dòng)側(cè)齒輪轉(zhuǎn)324°，即少36°(360°/10)，為一個(gè)齒的角度。重復(fù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)，可以檢測(cè)10圈的多圈坐標(biāo)。從幾個(gè)齒輪的相位差檢測(cè)多轉(zhuǎn)坐標(biāo)的原理類似于時(shí)鐘的時(shí)針、分針、秒針的角度(相位差)組合來(lái)計(jì)時(shí)的原理。

由于以下原因，樹脂材料用于齒輪和編碼器外殼：

機(jī)械絕對(duì)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(huì)干擾磁通量的方向，因此位置檢測(cè)變得非常困難。由于樹脂是非磁性材料，因此不會(huì)影響檢測(cè)精度。

樹脂具有自潤(rùn)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(jī)質(zhì)量變輕，齒輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小。

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

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

3.機(jī)械編碼器的耐用性

如前所述，機(jī)械式絕對(duì)編碼器通過(guò)采用齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)利用多旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)。機(jī)械絕對(duì)值編碼器中的齒輪通過(guò)在齒輪之間產(chǎn)生相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)多旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)的目的，而不是用于動(dòng)力傳遞的目的。因此，它們幾乎沒有負(fù)載驅(qū)動(dòng)。這些齒輪的材質(zhì)使用了具有自潤(rùn)滑性、耐磨損性優(yōu)異的樹脂和樹脂專用潤(rùn)滑脂，具有高耐久性。

從耐磨性和耐沖擊性的角度來(lái)看，進(jìn)行了以下單向連續(xù)運(yùn)行和瞬時(shí)雙向運(yùn)行的測(cè)試，以確認(rèn)齒輪的高耐久性。

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

試驗(yàn)在上述條件下進(jìn)行。與測(cè)試 1 的測(cè)試結(jié)果一樣，沒有檢測(cè)到齒輪之間的背隙增加，或者沒有檢測(cè)到隨時(shí)間的惡化。

4. 帶機(jī)械式絕對(duì)值編碼器的 AZ 系列的特點(diǎn)

AZ系列是一款閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)套件，配備了新開發(fā)的機(jī)械絕對(duì)編碼器，采用無(wú)電池多旋轉(zhuǎn)絕對(duì)系統(tǒng)。機(jī)械絕對(duì)編碼器檢測(cè)絕對(duì)坐標(biāo)，使電機(jī)有一個(gè)原點(diǎn)位置。因此，不需要進(jìn)行返航操作。即使需要原點(diǎn)返回操作，也不需要外部傳感器，因?yàn)殡姍C(jī)有自己的原點(diǎn)位置。一般情況下，使用外部傳感器進(jìn)行高精度原點(diǎn)復(fù)歸時(shí)，需要考慮傳感器的ON/OFF檢測(cè)的采樣周期，以極低的速度進(jìn)行。根據(jù)情況，這需要很長(zhǎng)時(shí)間。還有，為了提高返航精度，還需要一點(diǎn)小匠心，比如，

使用 AZ 系列產(chǎn)品時(shí)，用戶無(wú)需擔(dān)心速度或編碼器精度。原點(diǎn)回歸運(yùn)行的速度限制可以在電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)的范圍內(nèi)自由設(shè)定。此外，可以在保持電機(jī)定位精度的同時(shí)執(zhí)行原點(diǎn)返回操作(參見圖 7)。

此外，在傳統(tǒng)的控制電機(jī)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(shí)會(huì)導(dǎo)致光學(xué)編碼器發(fā)生故障或誤識(shí)別。通過(guò)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(shí)，需要將編碼器安裝在目標(biāo)位置，這可能需要對(duì)距離進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。相反，AZ 系列可以通過(guò)使用“Home Position Reset Function”輕松選擇和設(shè)置任何給定位置作為原點(diǎn)位置。

5. 監(jiān)控

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

驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)包含驅(qū)動(dòng)器名稱、序列號(hào)、電源周期計(jì)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(yùn)行數(shù)據(jù)包含與電機(jī)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信息，例如：電機(jī)位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器溫度、扭矩監(jiān)控器。警報(bào)歷史記錄數(shù)據(jù)包含故障列表、時(shí)間戳以及故障期間發(fā)生的情況的詳細(xì)信息。驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑻峁┨囟ㄐ畔⒋a，以便快速隔離問(wèn)題。

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

驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)

AZ 系列驅(qū)動(dòng)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(dòng)器數(shù)據(jù)。

6.總結(jié)

AZ 系列配備了新開發(fā)的機(jī)械絕對(duì)編碼器，可以使用無(wú)電池多旋轉(zhuǎn)絕對(duì)系統(tǒng)。通過(guò)消除外部傳感器和維護(hù)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(dòng)器和電機(jī)信息，并在需要時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)信息。這有助于定期維護(hù)，最大限度地減少代價(jià)高昂的停機(jī)時(shí)間。

要了解 AZ 系列如何讓您受益，請(qǐng)聯(lián)系我們的銷售或技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)了解尺寸、測(cè)試或您可能有的其他要求。

審核編輯：湯梓紅