免電池多轉絕對式機械編碼器的研制

近年來，對電機，尤其是用于關鍵定位應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，使其能夠執行閉環絕對控制。根據這些要求，開發了無電池、多旋轉絕對式機械編碼器。閉環系統 AlphaStep AZ 系列采用這種類型的傳感器，目前已上市。

一、簡介

Oriental Motor 創造了即使主電源突然關閉也能保留定位信息的產品。有了這種內置的能力，在系統內保留信息可以減少傳感器并提高可靠性。該系統還集成了監控電機和驅動器的能力以及安全標準功能。歷史上，機械傳感器的結構非常復雜。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，這在絕對系統中很常見。對于基于電池的系統，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在可以在一個強大、高度可靠的系統中找到，無論電源何時關閉，例如在安全情況下或在海外運輸設備時，該系統都會提供反饋。此功能消除了對電池、附加傳感器和復雜布線的需要，并為當今先進設備所需的長期服務提供了信心。

Oriental Motor開始設計采用高精度樹脂零件的機構，同時著重于緊湊的機身方面。Oriental Motor通過內置近年來飛速發展的磁傳感器，成功開發了小型且價格合理的多旋轉絕對式編碼器(專利申請中)。這稱為“機械絕對編碼器”(參見圖 1)，它是 AZ 系列電機和驅動器組合的特色，是齒輪或執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“免調諧”、“高效”等特點，還實現了無電池多轉絕對式系統(見圖2).

2. 機械式絕對傳感器：位置檢測原理及結構

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(360°)以內的坐標。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生的磁通量方向和相位差來檢測坐標。這是為了計算準確的位置坐標。

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

每個齒輪由不同的齒數組成，因此，每次電機軸旋轉時，齒輪之間的相位差都會發生變化。利用齒數比產生的相位差，以1齒(1齒)為單位檢測齒輪相位差。基于相位差的組合，計算多旋轉坐標(參見圖5)。

只要在 1 個間距以內，就可以檢測到反向間隙。然而，除了間隙之外，坐標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。考慮到這些方面，齒隙的設計值甚至小于齒輪的 1 個齒距。

所有齒輪的相位差設計為在旋轉 1,800 次后恢復到初始狀態。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。可檢測多旋轉坐標的1,800轉數是Oriental Motor產品齒輪比變化的共同倍數，因此可以輕松控制齒輪箱輸出軸的坐標。

下面舉例進一步說明多轉檢測原理： 假設驅動側齒輪有9個齒，非驅動側齒輪有10個齒。傳動側齒輪每轉一圈，非傳動側齒輪轉324°，即少36°(360°/10)，為一個齒的角度。重復旋轉時，這些齒輪的定位關系每旋轉36°，旋轉10圈后又回到初始狀態。

使用這些齒輪的組合時，可以檢測10圈的多圈坐標。從幾個齒輪的相位差檢測多轉坐標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構，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的電機質量變輕，齒輪機構的轉動慣量變小。

為了使編碼器本身緊湊，其結構設計使安裝有磁性編碼器的電路板更靠近齒輪機構。使用導電材料時，如果產生摩擦粉塵，可能會導致電路短路。

當試圖防止摩擦灰塵進入電路時，結構會變得過于復雜，導致零件成本增加和生產率惡化。

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來利用多旋轉位置檢測。機械絕對值編碼器中的齒輪通過在齒輪之間產生相位差來實現多旋轉位置檢測的目的，而不是用于動力傳遞的目的。因此，它們幾乎沒有負載驅動。這些齒輪的材質使用了具有自潤滑性、耐磨損性優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運行和瞬時雙向運行的測試，以確認齒輪的高耐久性。

通過在上述條件下測量規定時間內的齒隙，測試齒輪的齒面磨損量。結果，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系列是一款閉環步進電機套件，配備了新開發的機械絕對編碼器，采用無電池多旋轉絕對系統。機械絕對編碼器檢測絕對坐標，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 系列產品時，用戶無需擔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動的范圍內自由設定。此外，可以在保持電機定位精度的同時執行原點返回操作(參見圖 7)。

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

5. 監控

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

驅動器數據包含驅動器名稱、序列號、電源周期計數、電源電壓、通信設置甚至撥碼開關設置等信息。運行數據包含與電機運動相關的信息，例如：電機位置、電機轉速、電機/驅動器溫度、扭矩監控器。警報歷史記錄數據包含故障列表、時間戳以及故障期間發生的情況的詳細信息。驅動程序將提供特定信息代碼，以便快速隔離問題。

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

驅動器數據

AZ 系列驅動器具有內置的串行通信協議 (MODBUS RTU)。串行通信允許用戶檢索驅動器數據。

6.總結

AZ 系列配備了新開發的機械絕對編碼器，可以使用無電池多旋轉絕對系統。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備的成本。AZ 系列能夠監控驅動器和電機信息，并在需要時轉發信息。這有助于定期維護，最大限度地減少代價高昂的停機時間。

要了解 AZ 系列如何讓您受益，請聯系我們的銷售或技術支持團隊了解尺寸、測試或您可能有的其他要求。

審核編輯：湯梓紅