【应用】电感式编码器IPS2200助力协作机器人绝对位置测量，TSSOP16 4.4*5mm小封装实现紧凑型设计
由于科技进步，我们对机器人的要求也上升了一个维度。由传统搬运、焊接等工厂中傻大粗工业机器人，逐渐向更轻巧、更安全、更敏捷、更友好的轻工业品类机器人进化。如服务机器人、协作机器人、桌面机械臂等。以协作机器人为例，由于其空间尺寸有限，我们逐渐使用电机、减速机、编码器、驱动器高度集成的一体化模块机器人关节部件（也称执行器），以最紧凑的空间布局，同时还要考虑高精度、安全性、低成本和便于生产维修，才能在产品上更具优势。本文介绍瑞萨IPS2200助力协作机器人实现紧凑型设计。
这种执行器一般都需要配备速度反馈及位置反馈的双编码器，在我们选择编码器时不仅要考虑编码器的类型，而且还要考虑编码器的接口、分辨率、精度、防护等级等方面。
由于系统重新上电时需要知道关节的绝对位置，其位置反馈普遍使用绝对值编码器设计。低成本、小尺寸（主要是厚度）的瑞萨IPS2200电感式绝对值编码器是实现此设计的最佳方案。紧凑型双编码器方案图1所示，通过中空轴设计，将减速机端编码器转移至执行器的定子侧，同电机端编码器组成双编码器系统。编码器与电机驱动器同时位于电机同侧也便于安装维修，同时中空轴的设计方便执行器走线，解决了执行器旋转绕线问题。
图1 紧凑型双编码器方案
以下是几种主流绝对值编码器的性能对比：
首先，光学编码器使用的玻璃码盘，它更容易受到油污，粉尘、振动和极高/极低温度的影响，而且一体式光电编码器体积大，轴向厚度较厚不适合机器人系统。
旋转变压器虽然不受油污，粉尘、振动和极高/极低温度的影响，但其体积大，厚度厚、重量大且电路复杂，更不适合小尺寸应用。
霍尔传感器是近几年应用最广的如AMS5048，由于其尺寸小，成本低。单磁扣+单芯片即可完成测量，是目前所有设计中尺寸最小的解决方案，但由于其磁扣加工工艺（磁铁NS极径向偏差）和霍尔式感应原理等，其精度目前止于14位（比此位数高的是通过DSP提升的分辨率而不是精度）。且双编码器方案中，该方案无法实现减速机和电机同轴的设计，无法应用。
多极磁环编码器是目前雷尼绍、IC-HAUS等厂家主推的方案，也是离轴编码器设计中最成熟的方案。通过类似游标卡尺的原理，将多组NS极磁环分布加工在圆形磁材料上，由于其磁环加工精度高，造成磁环高昂的价格，并且较高的安装精度要求和后续大批量产品的标定校准也是其产品的短板。
电容式编码器由于设计电路复杂，且需要金属屏蔽壳进行电场屏蔽，输出数据线性度也不好。周围导体结构、寄生电容、电缆等都会影响其测量精度，故电容式编码器没有普及开，只有较少厂家进行研究。
电感式编码器原理成熟，瑞萨的电感式编码器是基于涡流效应，该技术早在1989年就被申请专利，国外伺服行业的领军企业都有相关的编码器产品，但能够将该核心技术集成到芯片，便于用户灵活设计，且成本低廉的方案非瑞萨IPS2200莫属。
瑞萨电感编码器由一组发射线圈和两组接收线圈做前级处理。三组线圈完成类似旋转变压器的功能，电感式位置传感器IPS2200相当于RDC处理单元，线圈部分使用一般的双面PCB板即可，旋转金属片也可以设计成PCB板，大大降低了成本。
IPS2200方案的主要参数：
转速支持 250000 RPM，低延时小于10us
高精度，支持差分输出，最大电角度0.2%的误差（单个正弦周期信号的误差）
免疫杂散磁场，不需要做屏蔽设计
适合工作在严苛环境下，温度-40°C to +125°C
内置丰富的诊断保护功能
TSSOP16 4.4*5mm小封装，整体厚度比旋变小10倍，重量小100倍
下面是电感方案的实现框图，IPS2200输出Sin和Cos信号（可以配置为差分输出），经过后面MCU的AD单元采样后，Sin和Cos的比值调用反正切函数atan2即可得到绝对角度。要想得到多高分辨率的角度信息选用不同位数的ADC即可。
由于 IPS2200单个电周期最大电角度0.2%的误差，可根据使用电机的极对数通过增加旋转金属片的极对数和对应的电感线圈提高系统分辨率。
IPS2200为TSSOP-16封装，器件集成度高，电路简单、设计灵活。电感线圈可使用瑞萨提供的线圈设计软件进行线圈仿真软件，只需输入要求的尺寸参数、多少对极即可得到线圈Gerber文件。为实现紧凑设计，双编码器的设计可以高效利用有限空间，编码器高度小于10mm。IPS2200电路设计图如下：
实测IPS2200正余弦信号波形良好，对正弦信号做频谱分析，无其它谐波分量，信号稳定幅度高。对ATAN2计算后的角度信号做频谱分析，由于其波形为三角波，其信号波形及其谐波也很清晰，信号稳定幅度高。
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