将变频电压施加于逆变器采取脉冲宽度调制的电机，可以实现对电机的开环速率掌握。在稳态或缓慢变革的动态条件下，这将相称有效，并且较低性能运用中的许多电机驱动器采取开环速率掌握，而不须要编码器。但是，这种方法有几个缺陷：
由于没有反馈，速率精度很有限由于无法优化电流掌握，电机效率很低必须严格限定瞬态相应，以免电机损失同步图1.闭环电机掌握反馈系统
编码器通过跟踪旋转轴的速率和位置来供应闭环反馈旗子暗记。光学和磁编码器技能利用非常广泛，如图2所示。在通用伺服驱动器中，编码器用于丈量轴位置，从中可推导出驱动器转速。机器人和离散掌握系统须要准确且可重复的轴位置。光学编码器由带有风雅光刻槽的玻璃圆盘组成。当光穿过圆盘或从圆盘反射时，光电二极管传感器检测光的变革。光电二极管的仿照输出经由放大和数字化处理后，通过有线电缆发送到逆变器掌握器。磁编码器由安装在电机轴上的磁体和磁场传感器组成，传感器供应正弦和余弦仿照输出，输出经由放大和数字化处理。光学和磁传感器旗子暗记链类似，如图2所示。
电机编码器类型、技能和性能指标单圈绝对值编码器在通电后会返回机器或电气360°范围内的绝对位置旗子暗记。电机轴的位置可以立即读取。多圈绝对值编码器不仅具有绝对位置功能，而且能供应360°圈数计数。比较之下，增量编码器供应相对付旋转出发点的位置。增量编码器供应一个索引脉冲来指示0°，并供应一个单脉冲来计数圈数，或供应一个双脉冲来供应方向信息。
图2.(a) 光学编码器，(b) 磁编码器
编码器的分辨率是指电机轴旋转360°时可以区分的位置数量。常日，最高分辨率的编码器利用光学技能，而中高分辨率的编码器利用磁或光学传感器。中低分辨率编码器利用旋变器（旋转变压器）或霍尔传感器。光学或磁编码器利用高分辨率旗子暗记调理。大多数光学编码器是增量式的。编码器可重复性是一项关键性能指标，用于衡量编码器返回到同一指令位置的同等性。这对付重复性任务至关主要，例如在PCB制造过程中，放置半导体所用的机器人或贴片机须具有良好的可重复性。
图3.编码器类型
表1.编码器关键性能指标指标
定义
备注
分辨率
编码器每转可区分的位置数(n)
高分辨率：16位至24位 等分辨率：13位至18位 低分辨率：<12位
绝对精度
旋转一圈后实际位置与报告位置之间的差异（类似于INL）
位置掌握运用依赖绝对精度
差分精度
两个相邻位置之间报告的间隔与空想间隔之差（类似于DNL）
速率掌握运用依赖差分精度
可重复性
编码器返回到同一指令位置的同等性
可重复性对付重复性任务很主要，例如涉及机器人的任务
电机编码器精度和可重复性的主要性贴片机/机器人是食品包装和半导系统编制造行业中常用的自动化机器。为了提高工艺效率，须要具有高精度和可重复性的机器或机器人。利用高性能电机编码器可实现高精度、可重复性和高效率。
图4展示了机器人中的编码器运用案例。电机通过精密减速变速箱驱动机器臂中的每个枢纽关头。机器人枢纽关头角度通过电机上安装的精密轴角编码器(θm)和机器臂上安装的附加编码器(θj)来丈量。
对付机器人，数据手册上列出的紧张性能规格是可重复性，其数量级常日在亚毫米级。在理解可重复性规格和机器人的浸染范围之后，就可以推断旋转编码器的规格。
图4.电机编码器(θm)和枢纽关头编码器(θj)的角度可重复性，以及机器人浸染范围(L)
枢纽关头编码器所需的角度可重复性(θ)可从三角函数得出：机器人可重复性除以浸染范围的反正切。
多个枢纽关头结合起来可实现机器人的整体浸染范围。传感器应具有比目标角度精度更高的性能。必须改进每个枢纽关头的可重复性规格，这里假设改进10倍。对付电机编码器，可重复性由齿轮比(G)定义。
例如，对付表2所示的机器人系统，枢纽关头编码器须要20位到22位的可重复性规格，而电机编码器须要14位到16位的分辨率。
表2.编码器可重复性和机器人可重复性规格机器人系统
机器人1
机器人2
假定齿轮比，G
100
可重复性规格
±0.05 mm
±0.01 mm
浸染范围，L
1.30 m
1.10 m
编码器可重复性规格
θ
0.0022°
0.0005°
θj/101
0.00022°（~20位）
0.00005°（~22位）
θm = θj × G
0.02°（~14位）
0.005°（~16位）
1由于机器人浸染范围由多个枢纽关头共同表示，因此单个编码器必须具有更高的精度才能实现整体系统精度。
电机编码器技能的未来发展趋势图5解释了编码器的未来发展趋势和实现这些趋势的技能。
图5.编码器发展趋势和实现这些趋势的技能
Rockwell1关于伺服驱动器、编码器和编码器通信端口的研究表明，用于反馈通信的收发器每年增长20%。支持通过两条线（IEEE 802.3dg标准100BASE-T1L）1进行100 Mbps通信的单对以太网(SPE)收发器目前正在研究中，未来的编码器驱动接口将受益于低延迟，目标性能为≤1.5 µs。这种低延迟将支持更快的反馈数据采集和更短的掌握环路相应韶光。
对机器人和旋转机器（例如涡轮机、风扇、泵和电机）履行的状态监控会记录与机器的康健和性能干系的实时数据，以便针对性地履行预测掩护和优化掌握。在机器生命周期的早期进行针对性的预测掩护，可以减少生产停机的风险，从而提高可靠性、显著节约本钱和提高工厂的生产率。将MEMS加速度计放置在编码器中可供应机器的振动反馈，这适宜质量掌握至关主要的运用。将MEMS加速度计添加到编码器中会很方便，由于编码用具有现成的布线、通信和电源，可以向掌握器供应振动反馈。在数控(CNC)机床等一些运用中，从编码器发送到伺服器的MEMS振动数据可用于实时优化系统性能。
利用CbM并结合稳健且寿命更长的位置传感器，可以延长工业资产的利用寿命。磁传感器产生指示周围磁场角位置的仿照输出，可以代替光学编码器。磁编码器可用于湿度较高、污垢严重和灰尘较大的区域。这些恶劣的环境会影响光学办理方案的性能和利用寿命。
对付机器人和其他运用，必须始终清楚机器系统的位置，哪怕在断电的情形下也要明确知晓。标准机器人、协作机器人和其他自动化妆配设备在运行过程中溘然断电后，须要重新归位并初始化电源，这些停机韶光会带来一定的干系本钱并导致效率低下。由ADI公司开拓的磁性多圈存储器2不须要外部电源也能记录外部磁场的旋转次数，因而可以减小系统尺寸并降落本钱。
对付机器人和协作机器人，电机编码器和枢纽关头编码器常日须要16位至18位ADC性能，在某些情形下须要22位ADC。有些光学绝对位置编码器也须要高达24位分辨率的高性能ADC。
电机编码器旗子暗记链图6、图7、图8和图9展示了磁性（各向异性磁阻(AMR)和霍尔技能）、光学和旋变编码器的编码器旗子暗记链。紧张元件分为五大类：
1. 利用磁传感器（AMR、霍尔）跟踪轴位置和速率
2. 设备康健状况监测
a. MEMS传感器
b. 温度传感器
3. 智能
a. 带/不带集成ADC的微掌握器
b. 旋变数字转换器(RDC)
4. 电缆接口
a. 高速RS-485/RS-422收发器
b. SPI转RS-485扩展器收发器
5. 旗子暗记调理
a. 高性能ADC（12位至24位分辨率）
磁编码器(AMR)检测
在磁位置传感器运用领域，AMR传感器兼具稳定可靠的性能和高精度。如图6所示，传感器常日位于安装在电机轴上的偶极磁体对面。
图6.AMR传感器系统
AMR传感器对磁场方向变革很敏感，而霍尔技能对磁场强度很敏感。以是传感器对系统中的气隙和机器公差变革具有很强的容忍度，这一点很有上风。此外，AMR传感器的事情磁场没有上限，因此，这种传感器在高磁场下事情时险些不受杂散磁场的影响。
ADA4571是一款低延迟集成旗子暗记调理功能的AMR传感器，供应单端仿照输出。ADA4571单芯片办理方案供应良好的角度精度（范例角度偏差仅为0.10度），事情速率可高达50k rpm。ADA4571-2是双通道版本，可供应完备冗余能力而不影响性能，适宜安全关键型运用。
ADA4570是AAD4571的衍生产品，具有相同的性能，但供应差分输出，适用于更恶劣的环境。ADA457x系列供应的高角度精度和可重复性改进了闭环掌握，降落了电机扭矩纹波和噪声。与竞争技能比较，单芯片架构提高了可靠性，减小了尺寸和重量，并且更易于集成。
旗子暗记调理和电源AD7380 4 MSPS双通道同步采样、16位SAR ADC具有许多系统级上风，包括节省空间的3 mm × 3 mm封装，这对付空间受限的编码器PCB板非常主要。4 MSPS吞吐速率确保捕捉到正弦和余弦周期的详细信息，以及最新的编码器位置信息。高吞吐速率支持履行片内过采样，从而缩短数字ASIC或微掌握器将准确的编码器位置反馈给电机时的韶光延迟。AD7380片内过采样还有一个好处，它可以额外增加2位分辨率，从而与片内分辨率增强功能轻松合营利用。运用条记AN-20033详细先容了AD7380的过采样和分辨率增强功能。该ADC的VCC和VDRIVE以及放大器驱动器的电源轨可以由LDO稳压器（例如LT3023）供电。ADP320、LT3023和LT3029等多路输出低噪声LDO可用来为旗子暗记链中的所有元件供电。
收发器ADM3066E RS-485收发用具备超低的发送器和吸收器偏斜性能，以是非常适宜用于传输精密时钟，EnDat 2.2 4等电机掌握标准常日哀求精密时钟。事实证明，ADM3065E在电机掌握运用中采取范例电缆长度的确定性抖动小于5%。ADM3065E具有较宽的电源电压范围，因此这种时序性能水平也可用于须要3.3 V或5 V收发器电源的运用。有关更多信息，请参阅技能文章“利用现场总线提升速率，扩大覆盖范围”5。
微掌握器对付须要12位或更低分辨率的运用，可以用集成ADC的微掌握器来代替AD7380 ADC。小巧的MAX32672超低功耗Arm® Cortex®-M4F微掌握器包含一个12位1 MSPS ADC，具有增强的安全性、外设和电源管理接口。
图7.磁编码器(AMR)旗子暗记链
资产状况监控ADXL371是一款超低功耗、3轴、数字输出、±200g微机电系统(MEMS)加速度计，适用于机器监控。ADXL371性价比高，采取小型3 mm × 3 mm封装，事情温度高达+105°C。在即时导通模式下，ADXL371花费1.7 μA的电流，同时能持续监测环境影响。当检测到冲击事宜超过内部设定的阈值时，器件会切换到正常事情模式，其速率非常快以便记录事宜。
ADT7320是一款高精度数字温度传感器，无需用户校准或校正，具有出色的长期稳定性和可靠性。ADT7320的额定事情温度范围为-40°C至+150°C，采取小型4 mm × 4 mm LFCSP封装。
表3.磁编码器(AMR)旗子暗记链推举元件元件
推举产品型号
MEMS加速度计
ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375
温度传感器
ADT7320
电源（LDO稳压器）
ADP320、LT3023、LT3029
ADC，12位、16位SAR
MAX11198、AD7380、AD7866
AMR磁传感器
ADA4570、ADA4571、AD4571-2
双通道比较器
LTC6702
收发器（RS-485、RS-422）
MAX22506E、ADM3066E、ADM4168E、MAX22500E
微掌握器，集成ADC
MAX32672、MAX32662
光学编码器光学编码器旗子暗记链元件与磁编码器(AMR)部分先容的元件险些相同。但是，为了支持更高的编码器分辨率，建议利用AD7760 2.5 MSPS、24位、100 dB Σ-Δ ADC。它领悟了宽输入带宽、高速特性和Σ-Δ转换技能的上风，2.5 MSPS时信噪比(SNR)可达100 dB，因此非常适宜高速数据采集运用。
图8.磁编码器（霍尔）旗子暗记链
图9.光学编码器旗子暗记链
表5.光学编码器旗子暗记链推举元件元件
推举产品型号
MEMS加速度计
ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375
温度传感器
ADT7320
电源(LDO)
ADP320、LT3023、LT3029
ADC，12位、16位、24位
MAX11198、AD7380、AD7866、AD7760
精密运算放大器
ADA4622-4
双通道比较器
LTC6702
收发器（RS-485、RS-422）
MAX22506E、ADM3066E、ADM4168E、MAX22500E
微掌握器，集成ADC
MAX32672、MAX32662
旋变（耦合）编码器旋变编码用具有一些优点，例如较高的机器可靠性和高精度；但与磁体和ADA4571比较，旋变器价格昂贵。
AD2S1200将来自旋变器的旗子暗记转换为数字角度或角速率。图10显示了旋变器旗子暗记链。两个放大器用于创建三阶巴特沃斯低通滤波器，以将旋变器旗子暗记通报到AD2S1200。有关更多信息，请参阅电路条记CN0276。
为节省空间并降落设计繁芜性，建议利用LTC4332 SPI扩展器。LTC4332支持系统分区，供应了将微掌握器置于伺服器中而非编码器中的选项。如果编码器须要微掌握器，可以利用MAX32672 SPI接口直接连接AD2S1200，并且可以用ADM3065E RS-485收发器代替LTC4332。
如果利用LTC4332，AD2S1200 SPI输出会转换为稳健的差分现场总线接口。LTC4332包括三条从机选择线，因此MEMS和温度传感器等额外传感器可以与AD2S1200连接到同一条总线上。
表6.旋变编码器旗子暗记链推举元件元件
推举产品型号
MEMS加速度计
ADXL371、ADXL372、ADXL314、ADXL375
温度传感器
ADT7320
电源（LDO稳压器）
ADP120、ADP220、ADP320、LT3023、LT3029、LT3024、LT3027
精密运算放大器
AD8694、AD8692、AD8397
收发器（SPI/RS-485、RS-485）
LTC4332、ADM3065E
旋变数字转换器
AD2S1200、AD2S1205、AD2S1210
结论ADI公司利用其深厚的领域专业知识和前辈技能，帮助互助伙伴设计未来工业电机编码器和网络。利用小巧而强大的微掌握器、ADXL371 MEMS加速度计和ADT7320温度传感器，可以轻松地将资产康健洞察能力集成到编码器中。与光学或旋变器检测办理方案比较，ADI公司前辈的AMR磁传感器（例如ADA4571）提高了可靠性，减小了尺寸和重量，并且更易于集成到编码器中。采取AD7380或AD7760等中高端ADC可实现贴片机和机器人所需的高精度和可重复性。
图10.旋变编码器旗子暗记链
