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什么是編碼器-什么是機(jī)器人關(guān)節(jié)模組-麥歌恩離軸磁編器MT6728 MT6620 MT6709案例分享
磁編碼器芯片常用于測(cè)量機(jī)器人、電機(jī)等設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。那么什么是離軸編碼器呢?
離軸式磁編碼器采用多磁對(duì)極碼盤(pán),芯片安裝位置偏離旋轉(zhuǎn)軸中心。在運(yùn)行過(guò)程中,每一對(duì)極都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期的正余弦信號(hào),并通過(guò)硬件內(nèi)插器轉(zhuǎn)換成正交或者串行位置信號(hào)。當(dāng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)起來(lái)后,芯片內(nèi)部霍爾元件在徑向范圍內(nèi)感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度保持不變,電機(jī)軸的徑向抖動(dòng)(只要在霍爾感應(yīng)磁場(chǎng)的徑向范圍內(nèi))也不會(huì)影響霍爾感應(yīng)輸出信號(hào)的精準(zhǔn)度。因此,只要在實(shí)際安裝過(guò)程中確保芯片位置和徑向安裝距離(跟磁對(duì)極距有關(guān)),就能確保輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。
(一)拆解編碼器增量市場(chǎng):人形機(jī)器人
1、人形機(jī)器人:?jiǎn)翁厮估?Optimus 編碼器需求量 50+,價(jià)值量約為 7500 元
這一節(jié),我們不贅述人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化落地中持續(xù)降本,帶給國(guó)產(chǎn)供應(yīng)商巨大機(jī)會(huì)的邏 輯,主要對(duì)直線執(zhí)行模組、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組和靈巧手所需的編碼器進(jìn)行拆解。 特斯拉 BOT 運(yùn)動(dòng)控制模塊主要分為直線執(zhí)行模組、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組和靈巧手。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模 組包括無(wú)框力矩電機(jī)、諧波減速器、雙編碼器、力矩傳感器以及軸承,賦予 BOT 精準(zhǔn)的 旋轉(zhuǎn)控制能力。直線執(zhí)行模組包括無(wú)框力矩電機(jī)、行星滾柱絲杠、編碼器、力傳感器以 及軸承,這些零部件相互協(xié)作,使 BOT 能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)。靈巧手使用的空心杯電機(jī) 模組則由空心杯電機(jī)、減速器和編碼器構(gòu)成,從而使得 BOT 手部能夠?qū)崿F(xiàn)高度敏感和靈 活的運(yùn)動(dòng),為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的抓取和操作任務(wù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
單 BOT 直線、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組各為 14 個(gè)。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組主要由手臂、腿部和軀干構(gòu)成, 覆蓋肩、肘、髖、腰關(guān)節(jié);直線執(zhí)行模組由手臂和腿部構(gòu)成,覆蓋腕、肘、髖、膝、踝關(guān) 節(jié)。每個(gè)單獨(dú)的 BOT 都由 14 個(gè)直線執(zhí)行模組和 14 個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組組成,構(gòu)成了其精密 而高效的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。這些執(zhí)行模組通過(guò)精確的位置和角度控制,使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn) 多樣化的動(dòng)作和姿態(tài)。模組的協(xié)同工作,為 BOT 帶來(lái)了出色的機(jī)動(dòng)性和操作靈活性,使 其能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)境和任務(wù)要求。
編碼器用于測(cè)量關(guān)節(jié)角度和位置,確保 BOT 的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。特斯拉 BOT 需要實(shí) 現(xiàn)高度精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制,以模擬人類(lèi)的動(dòng)作。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)編碼器反饋信息,BOT 可以 準(zhǔn)確地控制肢體的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的步態(tài)和靈活的動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組采用雙編碼器主 要包含電機(jī)側(cè)的編碼器和減速器輸出端的編碼器,兩個(gè)編碼器可以增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng), 提高系統(tǒng)帶寬,縮短響應(yīng)時(shí)間。
單 BOT 編碼器價(jià)值量約為 7500 元。根據(jù)特斯拉 AI Day 發(fā)布會(huì)展示的解決方案,每個(gè)旋 轉(zhuǎn)執(zhí)行模組具備獨(dú)立的輸出和輸入兩個(gè)編碼器,而每個(gè)直線執(zhí)行模組則配置了一個(gè)編碼 器;在靈巧手模塊中,為滿足其復(fù)雜功能需求,每個(gè)空心杯電機(jī)模組均搭載了一個(gè)編碼 器,總計(jì)單 BOT 需要 54 個(gè)編碼器;結(jié)合國(guó)產(chǎn)廠商定價(jià),我們假定執(zhí)行模組所使用編碼 器的價(jià)格為 150 元/個(gè),空心杯電機(jī)模組所使用的編碼器價(jià)格為 100 元/個(gè),經(jīng)過(guò)測(cè)算,單 BOT 的編碼器價(jià)值量約為 7500 元。
特斯拉 Optimus 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展加速,賦能編碼器浩瀚市場(chǎng)。2023 年特斯拉股東大會(huì)上馬斯 克表示,“未來(lái)每個(gè)人都會(huì)擁有一個(gè)人形機(jī)器人,如果人形機(jī)器人和人的比例是 2 比 1 左 右,那么人們對(duì)機(jī)器人的需求量可能是 100 億乃至 200 億個(gè)”;參考馬斯克公開(kāi)言論,我 們假設(shè) 2025 年 Optimus 目標(biāo)交付量按悲觀、中性、樂(lè)觀情況,分別達(dá)到 10 萬(wàn)臺(tái)/50 萬(wàn)臺(tái) /100 萬(wàn)臺(tái),根據(jù)上文的價(jià)值量測(cè)算,有望為編碼器帶來(lái) 70 億元的新增市場(chǎng)空間。
(二)離軸磁編案例分享 - 機(jī)器人關(guān)機(jī)模組
六軸協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品
機(jī)器人關(guān)節(jié)模組:
機(jī)器人關(guān)節(jié)模組內(nèi)部結(jié)構(gòu):
機(jī)器人關(guān)節(jié)模組八大核心:
1.電機(jī)端絕對(duì)值編碼器
用于采用關(guān)節(jié)速度,放置在電機(jī)末端,采集電機(jī)的速度。
2.輸出端多圈絕對(duì)值編碼器
20位絕對(duì)值編碼器,重復(fù)定位精度高達(dá)±7角秒,絕對(duì)定位精度高達(dá)±15角秒,可記憶單圈及多圈斷電位置,全閉環(huán)控制,無(wú)磨損精度。
3. 無(wú)框力矩電機(jī)
提供出色的扭矩密度,從而實(shí)現(xiàn)緊湊的占地面積,減少空間和重量。
4.精密諧波減速機(jī):
50減速比、80減速比、100減速比、120減速比,多款按需選擇。
5.直流驅(qū)動(dòng)器
改變電機(jī)電壓控制無(wú)刷直流速度。
6.溫度傳感器
能感受溫度能夠轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。
7.摩擦式制動(dòng)保持器
采用摩擦式制動(dòng)器,停機(jī)無(wú)晃動(dòng),開(kāi)機(jī)無(wú)抖動(dòng)。可實(shí)現(xiàn)滿負(fù)載零速啟動(dòng)。運(yùn)行無(wú)磨粉,轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)噪音,耐受100%全速重載急停。
8.扭矩傳感器:
測(cè)量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測(cè)量設(shè)備。
(三) 機(jī)器人關(guān)節(jié)模組的設(shè)計(jì)要求:
- 客戶需求: 需要離軸,優(yōu)點(diǎn):可以中空走線,方便線纜從機(jī)器人中間穿過(guò)去,可以更好得保護(hù)好線纜,不需要把線漏在外面,影響使用和產(chǎn)品壽命。目前iC-Haus的離軸芯片價(jià)格很貴,阻礙了大批量應(yīng)用。
- 關(guān)節(jié)模組單機(jī)用量:2個(gè)。6軸協(xié)作機(jī)器人用量:2X6=12個(gè)。(也有單個(gè)關(guān)節(jié)模組用1個(gè)的)
- 對(duì)手型號(hào)1:iC-MHL200, iC-Haus, 離軸,價(jià)格貴
- 對(duì)手型號(hào)2:英飛凌TLE5012,在軸。(通過(guò)增加機(jī)械結(jié)構(gòu),用在軸實(shí)現(xiàn)離軸效果。缺點(diǎn):噪音大。)
- 麥歌恩型號(hào):
- MT6620
- MT6728
MT6709
(四)Magntek麥歌恩離軸編碼器MT6709/MT6620/MT6782芯片介紹:
1)MT6728高分辨率、高精度解碼細(xì)分IC
特性和優(yōu)勢(shì)
支持外部差分Sin、Cos模擬信號(hào)輸入,信號(hào)頻率最高支持到32KHz
支持客戶端簡(jiǎn)潔自校準(zhǔn),無(wú)需對(duì)外數(shù)據(jù)交互,無(wú)特殊運(yùn)轉(zhuǎn)要求
解碼后的角度數(shù)據(jù),可同時(shí)支持增量ABZ、增量UVW、PWM以及3線SPI絕對(duì)值接口輸出
21位核心角度分辨率
勻速系統(tǒng)延時(shí)<2us
增量ABZ輸出支持1~16,384脈沖/周期,任意整數(shù)分辨率客戶可編程
增量UVW輸出支持1~63對(duì)極任意整數(shù)對(duì)極可編程3.3~5.0V、-40~125°C 溫度范圍內(nèi)均可工作內(nèi)置3.0~5.5V用戶可編程EEPROM,無(wú)需外掛
2)MT6709:離軸絕對(duì)值角度檢測(cè)解碼芯片 (外置線性霍爾)
MT6709是麥歌恩微電子推出的新一代針對(duì)外部線性霍爾(配合1對(duì)極磁環(huán)工作)輸入的正、余弦模擬信號(hào)進(jìn)行角度計(jì)算的解碼芯片。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)單對(duì)極磁環(huán)(一個(gè)N極、一個(gè)S級(jí))轉(zhuǎn)動(dòng)在磁環(huán)四周互成90°擺放的四顆線性霍爾芯片會(huì)感應(yīng)輸出正、余弦的模擬信號(hào),MT6709對(duì)這四路差分正、余弦模擬輸入信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償、計(jì)算、解碼之后,可以得到分辨率為17位的絕對(duì)角度數(shù)據(jù);角度數(shù)據(jù)會(huì)被進(jìn)一步編碼成最高分辨率為2.500脈沖/周期或者是10000步/周期的AB增量信號(hào);MT6709也提供了UVW輸出,分辨率支持1~63對(duì)極/周期。
特性和優(yōu)勢(shì)
解碼配合單對(duì)極磁環(huán)工作的互成90°擺放的4顆線性霍爾使用,將正余弦模擬信號(hào)解碼成絕對(duì)角度數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)離軸的(Off-Axis) 0~360°絕對(duì)角度檢測(cè)
內(nèi)部17位絕對(duì)角度數(shù)據(jù)可通過(guò)SPI接口讀取
可同時(shí)支持增量ABZ、UVW、PWM以及3線SPI絕對(duì)值接口輸出
增量ABZ輸出支持1~2,500脈沖/周期,任意整數(shù)分辨率用戶可編程,UVW輸出支持1~63對(duì)極,任意整數(shù)對(duì)極用戶可編程
零點(diǎn)位置可通過(guò)專(zhuān)用中斷腳一鍵編程、無(wú)需數(shù)據(jù)交互
系統(tǒng)延時(shí) (勻速時(shí))<2us
3.3~5.0V、-40~125°C 溫度范圍內(nèi)均可工作
內(nèi)置3.0~5.5V用戶可編程EEPROM
3)MT6620:基于霍爾陣列開(kāi)發(fā)的支持離軸角度和位置檢測(cè)的集成式傳感器芯片
特性和優(yōu)勢(shì)
基于2mm固定極距的霍爾感應(yīng)陣列,實(shí)現(xiàn)可離軸安裝的角度和位移檢測(cè)
提供客戶端的簡(jiǎn)潔自校準(zhǔn)模式,無(wú)數(shù)據(jù)交互、自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償
-40~125℃溫度范圍內(nèi)均可工作
可同時(shí)支持增量ABZ、增量UVW、PWM絕對(duì)值和3線SPI總線輸出
增量ABZ輸出支持1~2.500脈沖/對(duì)極,任意整數(shù)分辨率客戶可編程
增量UVW輸出支持1對(duì)極~63對(duì)極任意整數(shù)對(duì)極客戶可編程
內(nèi)置3.3V~5.0V可編程的EEPROM