M2M系統(tǒng)編碼器從模擬過渡到數(shù)字組件設(shè)計(jì)

本杰明·富蘭克林讓“時(shí)間就是金錢”這句話變得流行，而我認(rèn)為可以毫不夸張地說，這也是對(duì)從事機(jī)器設(shè)計(jì)、工業(yè)自動(dòng)化或機(jī)器人技術(shù)的人士的真實(shí)寫照。 機(jī)器停機(jī)不僅造成焦慮，保守地說，這種情況本身其實(shí)要付出高昂的成本和精力。 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 以及控制傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)對(duì)機(jī) (M2M) 通信和自動(dòng)化技術(shù)的能力在不斷革新機(jī)器數(shù)據(jù)捕捉和通信的方式。 從模擬到數(shù)字設(shè)備的轉(zhuǎn)換正在創(chuàng)造高度智能的機(jī)器，這些機(jī)器具備全新且振奮人心的診斷能力，為工程師提供以前無法獲得的重要信息和數(shù)據(jù)訪問。 通過這些新數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)師們?nèi)〉昧梭@人的進(jìn)步，提升機(jī)器自主預(yù)測故障和減少停機(jī)時(shí)間的能力。

圖 1：CUI 的典型機(jī)對(duì)機(jī)通信系統(tǒng)圖示。

旋轉(zhuǎn)編碼器是工業(yè)、機(jī)器人、航空航天、能源和自動(dòng)化應(yīng)用中運(yùn)動(dòng)控制反饋回路的關(guān)鍵部件。 這些裝置要求編碼器性能優(yōu)良、長期可靠、經(jīng)久耐用，從而能經(jīng)常在多塵、多污染、多溫變和強(qiáng)振的惡劣環(huán)境下工作。 隨著近來機(jī)器人和自動(dòng)化工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)更快、更精確、更高效和更智能的編碼器的需求在急劇增加。 遺憾的是，目前市面上的編碼器無法向運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)師提供任何智能。 CUI 基于 ASIC 的數(shù)字 AMT 編碼器系列彌補(bǔ)了這一空白，可為設(shè)計(jì)師提供重要的診斷和編程工具，這些工具能加快上市速度，減少現(xiàn)場停機(jī)時(shí)間。

圖 2：CUI 的 AMT 編碼器是市面上首款采用基于 ASIC 的數(shù)字設(shè)計(jì)。

將診斷能力納入到旋轉(zhuǎn)編碼器中，讓設(shè)計(jì)師能夠獲得有價(jià)值的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，而這在以前的純模擬解決方案中是無法做到的。 該數(shù)據(jù)可用于讓系統(tǒng)快速確定編碼器是否正常工作，出現(xiàn)故障或不能運(yùn)行，或者失準(zhǔn)。 然后，系統(tǒng)使用該數(shù)據(jù)告知操作員潛在的問題，或者在啟動(dòng)電機(jī)和造成潛在災(zāi)難性損失之前自行做出明智決定。 此外，工程師能利用此特性制定預(yù)防措施 - 例如，在運(yùn)行應(yīng)用程序之前執(zhí)行“編碼器狀況良好”的測試序列。 這些能力是嚴(yán)格模擬編碼器所不具備的，可讓設(shè)計(jì)師盡可能縮短停機(jī)時(shí)間，并預(yù)測現(xiàn)場可能發(fā)生的裝置問題。

通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)可隨時(shí)監(jiān)控診斷數(shù)據(jù)，以提供有價(jià)值的性能趨勢，用于在發(fā)生故障前分析并預(yù)測運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)的故障。 由于編碼器所處的關(guān)鍵位置，即直接安裝在電機(jī)上，因此診斷數(shù)據(jù)不僅局限于單個(gè)編碼器的性能，還能作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)其他問題的預(yù)警，如軸錯(cuò)位、軸承磨損或熱降解。 通過仔細(xì)審查數(shù)據(jù)，可以受控方式對(duì)機(jī)器進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，并在發(fā)生災(zāi)難性故障前修復(fù)問題。 這樣可限制影響嚴(yán)重的停機(jī)時(shí)間，提高機(jī)器使用壽命并促進(jìn)整體系統(tǒng)智能。

除了預(yù)測優(yōu)勢外，若意外出現(xiàn)現(xiàn)場故障，板載診斷數(shù)據(jù)還可用于加速故障排除過程。 獲得這些寶貴的編碼器診斷能力讓維修技術(shù)人員能排除編碼器問題或者確定編碼器或電機(jī)可能存在問題，從而快速鎖定故障根源。 這樣可消除耗時(shí)、昂貴、容易出錯(cuò)的試驗(yàn)過程，不必從系統(tǒng)上拆除和更換編碼器和電機(jī)。 由于機(jī)器停機(jī)會(huì)造成生產(chǎn)率損失，因而其本身代價(jià)非常高；加上現(xiàn)場技術(shù)人員維修機(jī)器的費(fèi)用，更是雪上加霜。 因此，具有編碼器診斷能力，以加快故障排除和維修過程，這將顯著節(jié)省成本，并最大程度降低現(xiàn)場故障的影響。

來自編碼器的診斷數(shù)據(jù)也可大幅節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)流程的時(shí)間。 作為工程師，我寧愿相信，我的所有設(shè)計(jì)一開始就能完美工作。 不過，事情并非總是一帆風(fēng)順。 在測試過程中，我將不可避免地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題；通常問題原因并不顯而易見，并且似乎有無窮無盡的變化因素。 這就要啟動(dòng)故障排除流程，以確定為什么設(shè)備不能按預(yù)期運(yùn)行。 而診斷數(shù)據(jù)可以加速這一流程，并快速定位需要改進(jìn)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，無形中避免了數(shù)天或數(shù)周的調(diào)查。 這些節(jié)省不僅可縮短設(shè)計(jì)周期，帶來更穩(wěn)定的產(chǎn)品，還會(huì)加快上市時(shí)間。

CUI 的革命性 AMT11 增量系列和 AMT31 換相系列是首款集成這些診斷能力的旋轉(zhuǎn)編碼器。 通過使用 AMT Viewpoint? 軟件或簡單串行命令，CUI 將有價(jià)值的診斷數(shù)據(jù)交付到機(jī)器設(shè)計(jì)師手中。 這些小型裝置直徑 37 mm，厚 10 mm，在 +5 V 單電源下工作，可提供各種從 48 到 4096 ppr 的編程分辨率選擇，為所有 BLDC 極對(duì)配置提供換相信號(hào)。 根據(jù)應(yīng)用需求，除了軸向和徑向連接方向外，這兩種系列都提供有單端或差分輸出選項(xiàng)。 為了提高耐久性，堅(jiān)固耐用的 AMT 編碼器的工作溫度范圍從 -40°C 到 105°C。

圖 3：CUI 的 AMT Viewpoint GUI 能讓用戶設(shè)定多個(gè)編碼器參數(shù)，并獲取診斷數(shù)據(jù)。

雖然無法完全消除停機(jī)時(shí)間，但診斷數(shù)據(jù)目前越來越多地用于機(jī)器設(shè)計(jì)中，這也極大降低了機(jī)器故障率，同時(shí)提高了恢復(fù)速度，使這些情況變得不再棘手。 在 M2M 系統(tǒng)中，編碼器從模擬過渡到數(shù)字組件，這也帶來了全新的可能性。 從這些關(guān)鍵診斷數(shù)據(jù)中獲得洞察力也證明了之前提到的名言 - “知識(shí)就是力量”。