本文說明如何使編碼器的解析度、精度和可重複性規格，與馬達和機器人系統規格相互匹配，以及設備健康監測、邊緣智慧、穩定可靠的檢測和高速連接如何支援未來的編碼器設計；並探討編碼器應用中電子元件的未來發展趨勢，解釋為何完整的訊號鏈設計是實現新一代馬達編碼器設計的基礎。

從定速馬達轉向提供位置和電流回饋的變速馬達，不僅可以實現製程改善，還能節省大量能源。本文介紹馬達編碼器（位置和速度）、元件類型和技術，以及應用案例。並解答對於特定系統最重要的編碼器性能指標有哪些等關鍵問題。

閉迴路馬達控制回饋系統

在過去的幾十年裡，從傳統的聯網馬達向逆變器驅動馬達的轉換一直在穩步、持續進行。這是工業旋轉設備的重大轉型，透過提升馬達和終端設備的使用效率，不僅實現了製程改善，還能節省大量能源。變速驅動器和伺服驅動系統提高了馬達控制性能，進而可以改善要求嚴苛應用的品質和同步功能。如圖一所示，功率級使用功率逆變器、高性能位置感測以及電流/電壓閉迴路回饋，因此得以提升馬達性能和效率。

將變頻電壓施加於逆變器採用脈衝寬度調變的馬達，可以實現對馬達的開迴路速度控制。在穩態或緩慢變化的動態條件下相當有效，並且較低性能應用中的許多馬達驅動器採用開迴路速度控制，而不需要編碼器。但是此種方法也有些缺點：

‧ 由於沒有回饋，速度精度很有限

‧ 由於無法優化電流控制，馬達效率很低

‧ 必須嚴格限制瞬態響應，以免馬達喪失同步

圖一 : 閉迴路馬達控制回饋系統

什麼是位置編碼器？

編碼器透過追蹤旋轉軸的速度和位置來提供閉迴路回饋訊號。光學和磁編碼器技術使用廣泛，如圖二所示。

在通用伺服驅動器中，編碼器用於測量軸位置，從中可推導出驅動器轉速。機器人和離散控制系統需要準確且可重複的軸位置。光學編碼器由具備精細光刻槽的玻璃圓盤組成。當光穿過圓盤或從圓盤反射時，光電二極體感測器將感測光的變化。

光電二極體的類比輸出經過放大和數位化處理後，透過有線電纜發送到逆變器控制器。磁編碼器由安裝在馬達軸上的磁體和磁場感測器組成，感測器提供正弦和餘弦類比輸出，輸出經過放大和數位化處理。光學和磁感測器訊號鏈類似。

圖二 : （a） 光學編碼器；（b） 磁編碼器

類型、技術和性能指標

單圈絕對值編碼器在通電後會返回機械或電氣360°範圍內的絕對位置訊號。馬達軸的位置可以立即讀取。多圈絕對值編碼器不僅具有絕對位置功能，而且能提供360°圈數計數。相較之下，增量編碼器則提供相對於旋轉起點的位置。增量編碼器提供一個索引脈衝來指示0°，並提供一個單脈衝來計數圈數，或提供一個雙脈衝來提供方向資訊。

編碼器的解析度是指馬達軸旋轉360°時可以區分的位置數量。通常最高解析度的編碼器使用光學技術，而中高解析度的編碼器使用磁或光學感測器。中低解析度編碼器則使用旋變器（旋轉變壓器）或霍爾感測器。光學或磁編碼器使用高解析度訊號處理。

大多數光學編碼器是增量式的，編碼器可重複性是一項關鍵性能指標，主要可用於衡量編碼器返回到同一指令位置的一致性，這對於重複性任務非常重要，例如在PCB製造過程中，放置半導體所用的機器人或貼片機，必須具有良好的可重複性。

圖三 : 編碼器類型

精度和可重複性之必要

貼片機/機器人是食品包裝和半導體製造產業中常用的自動化機器，為了提高製程效率，需要具有高精度和可重複性的機器或機器人，而使用高性能馬達編碼器能夠實現高精度、可重複性和高效率。

圖四展示機器人中的編碼器應用案例。馬達透過精密減速變速箱驅動機器臂中的每個關節。機器人關節角度透過馬達上安裝的精密軸角編碼器（θm）和機器臂上安裝的附加編碼器（θj）來測量。

機器人的主要性能規格是可重複性，其數量級通常是亞毫米級。在瞭解可重複性規格和機器人的作用範圍之後，就可以推斷旋轉編碼器的規格。

圖四 : 馬達編碼器（θm）和關節編碼器（θj）的角度可重複性，以及機器人作用範圍（L）關節編碼器所需的角度可重複性（θ）可從三角函數得出：機器人可重複性除以作用範圍的反正切。

多個關節結合起來可實現機器人的整體作用範圍。感測器應具有比目標角度精度更高的性能。必須改善每個關節的可重複性規格，在此假設改善10倍。對於馬達編碼器，可重複性由齒輪比（G）定義。

例如，表二所示的機器人系統，關節編碼器需要20位元到22位元的可重複性規格，而馬達編碼器需要14位元到16位元的解析度。

未來技術發展趨勢

圖五說明編碼器的未來發展趨勢和實現這些趨勢的技術。

圖五 : 編碼器發展趨勢和實現這些趨勢的技術

Rockwell關於伺服驅動器、編碼器和編碼器通訊連接埠的研究顯示，用於回饋通訊的收發器每年成長20%。支援透過兩條線（IEEE 802.3dg標準100BASE-T1L）1進行100 Mbps通訊的單對乙太網路（SPE）收發器目前則正在研究中，未來的編碼器驅動介面將受益於低延遲，目標性能為?1.5 μs。此種低延遲將支援更快的回饋資料獲取和更短的控制迴路回應時間。

對機器人和旋轉機器（例如渦輪機、風扇、泵和馬達）進行的狀態監測會記錄與機器的健康和性能相關的即時資料，以便針對性地進行預測維護和優化控制。在機器生命週期的早期進行針對性的預測維護，可以減少生產停機的風險，進而提高可靠性、明顯節約成本和提高工廠的生產率。

將MEMS加速度計放置在編碼器中可提供機器的振動回饋，這適合品質控制非常重要的應用。而將MEMS加速度計增加到編碼器中會很方便，因為編碼器具有現成的佈線、通訊和電源，可以向控制器提供振動回饋。在數控（CNC）機床等應用中，從編碼器發送到伺服器的MEMS振動資料可用於即時優化系統性能。

使用CbM並結合穩健且壽命更長的位置感測器，可以延長工業資產的使用壽命。磁感測器產生指示周圍磁場角位置的類比輸出，可以取代光學編碼器。磁編碼器可用於濕度較高、污垢嚴重和灰塵較大的區域。這些惡劣的環境會影響光學解決方案的性能和使用壽命。

對於機器人和其他應用，必須始終清楚機械系統的位置，哪怕在斷電的情況下也要明確知曉。標準機器人、協作機器人和其他自動化裝配設備在運行過程中突然斷電後，需要重新歸位元並初始化電源，這些停機時間會帶來一定的相關成本並導致效率低下。由ADI開發的磁性多圈記憶體不需要外部電源，也能夠記錄外部磁場的旋轉次數，因而可以縮減系統尺寸並降低成本。

對於機器人和協作機器人，馬達編碼器和關節編碼器通常需要16位元至18位元ADC性能，在某些情況下需要22位元ADC。有些光學絕對位置編碼器也需要高達24位元解析度的高性能ADC。

馬達編碼器訊號鏈

圖六至圖九展示磁性（各向異性磁阻（AMR）和霍爾技術）、光學和旋變編碼器的編碼器訊號鏈。主要元件分為五大類：

1. 使用磁感測器（AMR、霍爾）追蹤軸位置和速度

2. 設備健康狀況監測：（a）MEMS感測器；（b）溫度感測器

3. 智能：（a）具有/不具有整合ADC的微控制器；（b）旋變數位轉換器（RDC）

4. 電纜介面：（a）高速RS-485/RS-422收發器；（b）SPI轉RS-485擴展器收發器

5. 訊號處理：（a）高性能ADC（12位元至24位元解析度）；（b）磁編碼器（AMR）

感測

在磁位置感測器應用領域，AMR感測器兼具穩定可靠的性能和高精度，感測器通常位於安裝在馬達軸上的偶極磁體對面（圖六）。

圖六 : AMR感測器系統

AMR感測器對磁場方向變化很敏感，而霍爾技術對磁場強度很敏感。所以感測器對系統中的氣隙和機械公差變化具有很強的容忍度。此外，AMR感測器的工作磁場沒有上限，因此，此種感測器在高磁場下工作時幾乎不受雜散磁場的影響。

ADA4571 為一款低延遲整合訊號處理功能的AMR感測器，提供單端類比輸出，此單晶片解決方案提供良好的角度精度（典型角度誤差僅為0.10度），工作速度可高達50k rpm。ADA4571-2是雙通道版本，可提供完全備用能力而不影響性能，適合安全關鍵型應用。

ADA457x系列提供的高角度精度和可重複性改善閉迴路控制，降低馬達扭矩漣波和雜訊。相較於競爭技術，單晶片架構提高可靠性，減少尺寸和重量，並且更易於整合。

訊號處理和電源

AD7380 4 MSPS雙通道同步採樣、16位元SAR ADC具有許多系統級優勢，包括節省空間的3 mm × 3 mm封裝，適用於空間受限的編碼器PCB板。4 MSPS吞吐速率確保擷取到正弦和餘弦週期的詳細資訊，以及最新的編碼器位置資訊。高吞吐速率支援進行晶片內過採樣，進而縮短數位ASIC或微控制器將準確的編碼器位置回饋給馬達時的時間延遲。

AD7380晶片內過採樣可以額外增加2位元解析度，進而與晶片內解析度增強功能輕鬆配合使用。AD7380 ADC的VCC和VDRIVE以及放大器驅動器的電源軌可以由LDO穩壓器供電。ADP320、LT3023和 LT3029 等多路輸出低雜訊LDO可用來為訊號鏈中的所有元件供電。

收發器

ADM3066E RS-485收發器具備超低的發送器和接收器偏斜性能，所以非常適合用於傳輸精密時鐘，EnDat 2.2 4等馬達控制標準通常要求精密時脈。事實證明，ADM3065E在馬達控制應用中採用典型電纜長度的確定性抖動小於5%。ADM3065E具有較寬的電源電壓範圍，因此此種時序性能水準也可用於需要3.3 V或5 V收發器電源的應用。

微控制器

對於需要12位元或更低解析度的應用，可以用整合ADC的微控制器來代替AD7380 ADC。小巧的MAX32672超低功耗Arm Cortex-M4F微控制器，包含一個12位元1 MSPS ADC，具有增強的安全性、周邊和電源管理介面。

圖七 : 磁編碼器（AMR）訊號鏈

資產狀況監控

ADXL371為一款超低功耗、3軸、數位輸出、±200g微機電系統（MEMS）加速度計，適用於機器監控。ADXL371性價比高，採用小型3 mm × 3 mm封裝，工作溫度高達+105°C。在即時導通模式下，ADXL371消耗1.7 μA的電流，同時能持續監測環境影響。當檢測到衝擊事件超過內部設定的閾值時，元件會切換到正常工作模式，其速度非常快以便記錄事件。

磁編碼器（霍爾）

可以使用AD22151或 AD22151G 設計霍爾編碼器。AD22151G為一款線性磁場感測器，其輸出電壓與垂直施加於封裝上表面的磁場成比例。為了設計編碼器系統，將等間距的磁體放置在旋轉馬達軸上。當旋轉軸磁體經過霍爾感測器時，感測器輸出的電壓達到峰值。使用更多磁體或感測器可以獲得更高的解析度。霍爾效應編碼器可以使用MAX32672和ADM3066E以支援有線介面。ADXL371 MEMS和ADT7320可為惡劣的編碼器環境提供狀態監測。磁編碼器（AMR）部分則提供有關這些訊號鏈元件的更多資訊。

光學編碼器

光學編碼器訊號鏈元件與磁編碼器（AMR）部分介紹的元件幾乎相同。但是，為了支援更高的編碼器解析度，建議使用 AD7760 2.5 MSPS、24位元、100 dB Σ-Δ ADC，其融合寬廣輸入頻寬、高速特性和Σ-Δ轉換技術的優勢，2.5 MSPS時訊號雜訊比（SNR）可達100 dB，因此適合高速資料擷取應用。

圖八 : 磁編碼器（霍爾）訊號鏈

圖九 : 光學編碼器訊號鏈

旋變（耦合）編碼器

旋變編碼器具有一些優點，例如較高的機械可靠性和高精度；但相較於磁體和ADA4571，旋變器價格更為昂貴。AD2S1200 將來自旋變器的訊號轉換為數位角度或角速率。圖十顯示旋變器訊號鏈。兩個放大器用於創建三階巴特沃斯低通濾波器，以將旋變器訊號傳遞到AD2S1200。

為節省空間並降低設計複雜性，LTC4332 SPI擴展器可支援系統磁碟分割，提供了將微控制器置於伺服器中而非編碼器中的選項。如果編碼器需要微控制器，可以使用MAX32672 SPI介面直接連接AD2S1200，並且可以用ADM3065E RS-485收發器取代LTC4332。

如果使用LTC4332，AD2S1200 SPI輸出會轉換為穩健的差分現場匯流排界面。LTC4332包括三條從機選擇線，因此MEMS和溫度感測器等額外感測器可以與AD2S1200連接到同一條匯流排上。

圖十 : 旋變編碼器訊號鏈

ADI協助合作夥伴設計未來工業馬達編碼器和網路。利用小巧而強大的微控制器、ADXL371 MEMS加速度計和ADT7320溫度感測器，可以輕鬆將資產健康洞察能力整合到編碼器中。相較於光學或旋變器感測解決方案，ADI先進的AMR磁感測器（如ADA4571）提高可靠性，減少尺寸和重量，並且更易於整合到編碼器中。採用AD7380或AD7760等中高階ADC可實現貼片機和機器人所需的高精度和可重複性。

（本文作者Richard Anslow為ADI資深系統工程經理）