Varför använder robotledmoduler dubbla encoders?

Dubbla kodare för robotkopplingar blir allt viktigare inom högpresterande robotteknik. Men att lägga till en andra kodare handlar inte bara om att installera ytterligare en sensor.

Det verkliga syftet är att besvara två olika frågor:

Hur mycket har motorn rört sig?

och

Hur mycket har robotleden egentligen rört sig?

I en robotledmodul bestående av en ramlös momentmotor, precisionsreducerare, pulsgivare och utgångsfläns kan motorkodaren noggrant mäta motorns position och hastighet. Den faktiska ledutgången kan dock fortfarande påverkas av transmissionsfel, vridningsdeformation, friktion, termisk drift, monteringstoleranser och förändringar i extern belastning.

Det är därför en robotled med dubbla kodare kan ge en mer komplett återkopplingsarkitektur. En kodare övervakar motorsidan, medan den andra mäter ledens utgångssida. Tillsammans gör de det möjligt för styrenheten att observera både motordynamiken och den faktiska ledens position.

Vad är en dubbelkodare för robotkoppling?

En typisk arkitektur för dubbelkodare med robotkoppling kan förenklas enligt:

Motor → Motorsidig pulsgivare → Precisionsreducerare → Utgångspulsgivare → Gemensam utgång

Motorsidans pulsgivare är installerad nära motorrotorn eller ingångsaxeln. Den ger främst höghastighetsåterkoppling för motorkommutering, fältorienterad styrning (FOC), hastighetsreglering och uppskattning av motorns tillstånd.

Utgångskodaren, även känd som ledkodare, installeras efter reduceraren och mäter robotledens faktiska vinkelposition.

Denna arkitektur beskrivs vanligtvis som:

• Dubbel kodare

• Dubbel återkoppling

• Dubbelloopskontroll

• Motor- och ledsidans återkoppling

De två givarna behöver inte nödvändigtvis använda samma teknik. Beroende på applikationen kan en robotkoppling använda inkrementella givare, absoluta givare med en varv eller absoluta givare med flera varv.

Varför räcker det inte med en motorsidig kodare?

I en konventionell robotkoppling med en kodare är kodaren vanligtvis installerad på motorsidan.

Styrenheten känner till motorns position och beräknar den teoretiska utgångspositionen enligt utväxlingsförhållandet:

θut ≈ θmotor / N

där N är reduktionsförhållandet.

Denna metod fungerar bra när transmissionssystemet kan anses vara tillräckligt rigidt och förutsägbart.

En riktig robotkoppling är dock inte ett idealiskt styvt transmissionssystem.

Reducerväxeln kan orsaka transmissionsfel, medan flexibla komponenter kan deformeras under belastning. Lager, kopplingar och utgående flänsar kan också orsaka små mekaniska avvikelser. Temperaturförändringar kan ytterligare påverka både den mekaniska strukturen och pulsgivarens mätningar.

Som ett resultat:

Beräknad ledposition ≠ Faktisk ledposition

Denna skillnad är en av de främsta anledningarna till att utgångskodare används i högpresterande robotkopplingar.

En sekundär kodare kan ge ytterligare återkoppling för att identifiera och kompensera för överföringsfel, särskilt i robotfogar som påverkas av flexibilitet, glapp, friktion och andra mekaniska störningar.

Kärnfördelen med dubbla kodare: Mätning av vad som händer efter reduceraren

Det viktigaste konceptet bakom ett dubbelkodningsställdon är enkelt:

Motorsidans kodare mäter växellådans ingångssida.

Utgångskodaren mäter den faktiska ledutgången.

Styrenheten kan sedan jämföra de två återkopplingssignalerna och identifiera skillnader mellan motorrörelsen och ledrörelsen.

Till exempel kan motorn rotera till det kommenderade läget medan utgångsflänsen fortfarande är något förskjuten på grund av vridningsdeformation, transmissionsfel eller lastberoende mekaniskt beteende.

Ett system med en enda kodare kan anta:

Motorn har nått det kommenderade läget, så leden har nått det kommenderade läget.

Ett dubbelt kodningssystem kan identifiera:

Motorn har nått den kommenderade positionen, men ledens utgång har fortfarande ett positionsfel.

Detta är en av de grundläggande fördelarna med dubbelloopsåterkoppling i robotledmoduler.

1. Förbättra robotledpositionskontrollen

En av de största fördelarna med en arkitektur med dubbel kodare är att positionsslingan kan använda återkoppling från den faktiska ledutgången.

I ett konventionellt motorsidigt återkopplingssystem observerar positionsregulatorn primärt motorpositionen.

Med dubbel återkoppling kan styrarkitekturen separera de två funktionerna:

Motorpulsgivare → Motorstyrning

Utgångskodare → Ledpositionsåterkoppling

Detta gör att regulatorn kan reglera inte bara motorn utan även den faktiska utgångspositionen efter reduceraren.

Denna arkitektur är särskilt användbar för:

• Högprecisionsrobotfogar

• Samarbetande robotar

• Humanoida robotaktuatorer

• Precisionsrörelsesystem

• CNC-roterande axlar

• Högpresterande servomekanismer

För applikationer som kräver noggrann spårning av banor kan positionsåterkoppling på utgångssidan bidra till att minska inverkan av transmissionsrelaterade fel på den slutliga ledens position.

2. Mät och kompensera för reducerväxellådans fel

Ett vanligt missförstånd är att en dubbelkodare helt enkelt kan "eliminera glapp".

Detta är inte tekniskt korrekt.

En robotkoppling med dubbel kodare eliminerar inte mekaniskt glapp. Istället tillåter den andra kodaren styrsystemet att mäta skillnaden mellan rörelse på motorsidan och utgångssidan och kompensera för en del av överföringsfelet genom styralgoritmer.

Beroende på reducerare och mekanisk konstruktion kan relevanta felkällor inkludera:

• Sändningsfel

• Torsionsdeformation

• Hysteres

• Friktion

• Elastisk deformation

• Monteringsfel

• Termisk drift

Genom att jämföra positionsåterkoppling på motorsidan och ledsidan kan regulatorn bygga en felmodell och tillämpa kompensation enligt ledens position, riktning, hastighet, belastning och andra driftsförhållanden.

Därför är en mer korrekt beskrivning:

Dubbla kodare möjliggör mätning och kompensation av överföringsfel.

Snarare än:

Dubbla kodare eliminerar glapp.

Denna distinktion är viktig vid utvärdering av den faktiska prestandan hos en harmonisk drivrobotled eller annat precisionsreducerbaserat ställdon.

3. Förbättra feedbacken på den faktiska ledpositionen

Hög kodareupplösning betyder inte automatiskt hög noggrannhet i robotpositioneringen.

Tre tekniska begrepp bör tydligt särskiljas:

Upplösning

Upplösning beskriver det minsta positionssteg som en kodare kan urskilja.

Till exempel ger en 23-bitars enkelvarvskodare:

2²³ = 8 388 608 varv per varv

Den teoretiska vinkelökningen är ungefär:

0,154 bågsekunder per räkning

Detta är dock kodarens upplösning, inte robotledens totala positioneringsnoggrannhet.

Noggrannhet

Noggrannhet beskriver hur nära den uppmätta positionen överensstämmer med den faktiska fysiska positionen.

Repeterbarhet

Repeterbarhet beskriver hur konsekvent systemet återgår till samma position när samma rörelse upprepas.

Därför:

Hög pulsgivareupplösning ≠ Hög systemnoggrannhet

Den slutliga prestandan för en robotkoppling beror på hela systemet, inklusive pulsgivarens noggrannhet, reducerväxelns transmissionsfel, lagerkast, mekanisk styvhet, termiska effekter, kalibrering och styralgoritmer.

Det är därför som återkoppling från dubbla kodare bör utvärderas som en del av den kompletta rörelsekontrollarkitekturen snarare än enbart utifrån antalet kodares bitar.

4. Separera motorrörelse från faktisk ledrörelse

Detta är ytterligare en viktig fördel med en robotgemensam dubbelkodararkitektur.

Tänk dig en robotkoppling med ett reduktionsförhållande på 100:1.

Motorn kan rotera en relativt stor vinkel medan utgångsleden bara roterar en liten bråkdel av den vinkeln.

Samtidigt kan reduceraren och den mekaniska strukturen deformeras något när den yttre belastningen ändras.

Styrenheten kan därför beräkna en teoretisk ledposition från motorpulsgivaren, men detta representerar inte nödvändigtvis den faktiska utgångspositionen.

Utgångskodaren ger direkt feedback från skarvsidan.

Styrsystemet kan därför observera två olika tillstånd:

Motorisk dynamik

och

Leddynamik

Denna distinktion blir allt viktigare vid höghastighetsrobotrörelser, dynamiska lastförändringar och högprecisionsbankontroll.

Kan dubbla kodare förhindra positionsförlust efter strömavstängning?

Svaret är:

De kan hjälpa, men dubbla kodare ensamma eliminerar inte automatiskt homing.

Huruvida en robotled kan bibehålla sin position efter strömavbrott beror huvudsakligen på pulsgivarens typ och den flervarvs positionshållningsmekanismen.

Inkrementell kodare

En inkrementell pulsgivare behåller i allmänhet inte absolut positionsinformation efter strömavbrott och kan kräva en referens- eller heminställningsprocedur.

Envarvs absolut pulsgivare

En absolutgivare med en varv kan identifiera vinkelpositionen inom ett varv, men den ger inte i sig obegränsad positionsinformation över flera varv.

Flervarvs absolutkodare

En flervarvs-absolutgivare kan ge både envarvsposition och ackumulerad rotationsposition över flera varv.

Flervarvs positionshållning kan implementeras med olika tekniker, inklusive batteridrivna system, mekaniska räknemekanismer och batterifria positionshållningstekniker.

Till exempel använder Oriental Motors ABZO-kodare ett batterifritt mekaniskt absolutpositionssystem som kan behålla positionsinformation efter att strömmen har brutits.

Därför kan det tekniska förhållandet bättre beskrivas som:

Dubbel kodare + lämplig absolut återkoppling med flera varv → Potentiellt reducerad eller eliminerad konventionell referensinställning

snarare än:

Dubbel kodare → Eliminerar automatiskt referenskörning

Kan dubbla kodare förbättra robotarnas funktionella säkerhet?

Ja, men en viktig skillnad måste göras:

Två pulsgivare innebär inte automatiskt redundans för funktionell säkerhet.

Om två pulsgivare helt enkelt ansluts till en konventionell styrenhet utan lämplig diagnostik, feldetektering och säkerhetsarkitektur, kan systemet inte automatiskt göra anspråk på PL d, PL e, SIL 2 eller SIL 3.

Värdet med dubbel återkoppling i säkerhetsrelaterade tillämpningar är att regulatorn kan jämföra två olika positionsmätningar.

Till exempel:

Motorpulsgivarens position ≠ Gemensam pulsgivares position

kan indikera:

• Kodarfel

• Mekaniskt transmissionsfel

• Reducerskada

• Problem med axel eller koppling

• Oväntad mekanisk förskjutning

• Kommunikations- eller signalfel

Styrsystemet kan sedan upptäcka det onormala tillståndet och utföra en lämplig felåtgärd.

IEC 61800-5-3 behandlar säkerhetsrelaterade pulsgivare, medan IEC 61800-5-2 täcker säkerhetsrelaterade funktioner för drivsystem.

Därför är det tekniskt korrekta påståendet:

Dubbla kodare kan stödja en funktionell säkerhetsarkitektur, men den slutliga PL- eller SIL-kapaciteten beror på det kompletta säkerhetsrelaterade systemet, diagnostiken, arkitekturen och valideringen.

Hur relaterar dubbla kodare till funktionella säkerhetsstandarder?

Funktionell säkerhet i en robotled bestäms inte av en enda kodare.

Den är baserad på det kompletta säkerhetsrelaterade styrsystemet.

Relevanta standarder kan innefatta:

IEC 61508

Tillhandahåller det allmänna ramverket för funktionell säkerhet och säkerhetsintegritetsnivåer (SIL).

IEC 61800-5-2

Definierar säkerhetsrelaterade funktioner för drivsystem, inklusive funktioner som Safe Torque Off (STO) och andra drivrelaterade säkerhetsfunktioner.

IEC 61800-5-3

Tillhandahåller krav för säkerhetsrelaterade kodare som används i funktionella säkerhetstillämpningar.

EN ISO 13849-1

Tar upp säkerhetsrelaterade delar av styrsystem och definierar prestandanivåer (PL).

ISO 10218-1:2025

Specificerar säkerhetskrav för industriella robotsystem.

ISO 10218-2:2025

Adresserar säkerhetskrav för industrirobotapplikationer och robotceller.

Huvudpoängen är att en dubbel kodare kan vara en del av en säkerhetsrelaterad återkopplingsarkitektur, men antalet kodare ensamt avgör inte den slutliga säkerhetsnivån.

Systemarkitektur, diagnostisk täckning, felrespons, skydd mot gemensamma felorsaker och validering måste alla beaktas.

Dubbelkodare kontra enkelkodare robotleder

Valet mellan en enkel- och en dubbelkodare beror på applikationen.

Funktion Enkel kodare Dubbel kodare

Motorpositionsåterkoppling Ja Ja

Direkt utgångslägesåterkoppling Vanligtvis nej Ja

Övervakning av överföringsfel Begränsad Förbättrad

Dubbelloopsstyrning Begränsad Ja

Reducerfelkompensation Begränsad Förbättrad

Flervarvs absolut position Beror på givare Beror på givare

Felkontroll Begränsad Förbättrad

Systemkomplexitet Lägre Högre

Kostnad Lägre Högre

Lämplig för högpresterande fogar Användningsberoende Stor fördel

En enda kodare kan vara tillräcklig för kostnadskänsliga robotkopplingar eller system där överföringsnoggrannheten redan är tillräcklig.

En arkitektur med dubbel kodare blir mer attraktiv när applikationen kräver hög positioneringsprestanda, kompensation för överföringsfel, avancerad rörelsekontroll eller ytterligare positionsdiagnostik.

Varför används inte dubbla kodare i varje robotled?

Om dubbla kodare ger ytterligare feedback, varför inte använda dem överallt?

Svaret är systemkomplexitet.

Lägga till en utgångskodare ökar:

• Kostnad för stycklista

• Mekanisk integrationskomplexitet

• Krav för ledningsdragning

• EMC-konstruktionskrav

• Kalibreringskrav

• Kontrollkomplexitet

• Diagnostiska krav

• Monteringskrav

Utgångskodaren kan också vara känslig för mekaniska installationsfel.

Givarens excentricitet, axelkast, flänsdeformation och kopplingsfel kan alla påverka det uppmätta utgångsläget.

Därför är målet inte att installera så många sensorer som möjligt.

Målet är att använda rätt återkopplingsarkitektur för den erforderliga robotledens prestanda.

Typisk arkitektur för dubbelkodare med robotkopplingar

En högpresterande robotled kan förstås som tre huvudsakliga återkopplingslager.

Motorsidans återkoppling

Motorsidans kodare stöder huvudsakligen:

Kommutering

Fältorienterad styrning (FOC)

Ström- och hastighetskontroll

Motorpositionsåterkoppling

Återkopplingen måste vara tillräckligt snabb och stabil för dynamisk motorstyrning.

Ledsidans återkoppling

Ledsidans kodare tillhandahåller huvudsakligen:

• Faktisk ledposition

• Återkoppling av utgångsposition

• Övervakning av överföringsfel

• Mekanisk tillståndsövervakning

Eftersom den installeras efter reduceraren ger den information som inte kan erhållas direkt från motorsidans pulsgivare.

Kontroller

Styrenheten kombinerar båda återkopplingskällorna:

• Motorposition → Motortillstånd

• Utgångsposition → Gemensamt tillstånd

• Positionsskillnad → Information om växellåda och mekanisk fel

Detta skapar en mer komplett återkopplingsslinga för robotleden.

Dubbla kodare handlar om mer än högre noggrannhet

Den viktigaste anledningen till att använda två kodare är inte bara att öka kodarupplösningen.

Det är för att göra mätmålet mer komplett.

En enda kodare mäter huvudsakligen:

• Motor

• Ett dubbelt kodsystem mäter:

• Motor + Led

Detta gör det möjligt för styrsystemet att skilja mellan motorisk rörelse och faktisk ledrörelse.

Den skillnaden är särskilt värdefull när robotleden inkluderar en precisionsreducerare med högt utväxlingsförhållande, såsom en harmonisk drivning eller RV-reducerare.

När ska man använda en robotkoppling med dubbel kodare?

En arkitektur med dubbel kodare är värd att överväga när robotleden kräver ett eller flera av följande:

Högprecisionsledpositionering

När den slutliga utgångspositionen är viktigare än den beräknade motorpositionen.

Kompensation för överföringsfel

När fel i reducerväxlar och mekaniska transmissioner behöver mätas och kompenseras.

Avancerad rörelsekontroll

När styrsystemet behöver noggrann återkoppling från både motor- och ledsidan.

Absolut flervarvspositionering

När roboten behöver behålla information om ledens position efter strömavbrott.

Positionsbaserad diagnostik

När positioner på motorsidan och ledsidan behöver jämföras kontinuerligt för att detektera onormalt mekaniskt beteende.

Funktionell säkerhetsarkitektur

När redundant eller dubbelkollad positionsåterkoppling krävs som en del av ett komplett säkerhetsrelaterat styrsystem.

Varför är dubbelkodaråterkoppling viktig för nästa generations robotställdon?

I takt med att kollaborativa robotar, humanoida robotar och högpresterande industrirobotar fortsätter att kräva högre precision, snabbare respons och bättre diagnostiska möjligheter, blir robotledsarkitekturer alltmer sofistikerade.

Den traditionella strukturen:

Motor + Reducer + Kodare

utvecklas alltmer mot:

Motor + Motorpulsgivare + Precisionsreducerare + Ledpulsgivare + Styrenhet

Den viktigaste förändringen är inte bara tillägget av ytterligare en sensor.

Det är övergången från att uppskatta ledens position från motorisk rörelse till att direkt mäta ledens faktiska tillstånd.

För robotkopplingar som använder harmoniska reducerare kan denna distinktion vara särskilt viktig. Precisionsreducerare ger höga reduktionsförhållanden, hög momenttäthet och kompakta mekaniska strukturer, men den slutliga kopplingens prestanda påverkas fortfarande av transmissionsfel, vridstyvhet, termiska effekter, mekaniska toleranser och externa belastningar.

En arkitektur med dubbel kodare ger styrenheten åtkomst till båda sidor av överföringskedjan.

Detta ger en starkare grund för:

• Högprecisionspositionskontroll

• Kompensation för överföringsfel

• Gemensam statlig övervakning

• Rörelsekontroll med dubbla loopar

• Avancerad robotrörelsekontroll

• Valda funktionella säkerhetsarkitekturer

Med andra ord är en dubbelkodare inte bara ”en sensor till”.

Det skapar en mer komplett återkopplingskedja för ingång, överföring och utgång inuti robotleden.

För nästa generations robotaktuatorer kan denna övergång från att uppskatta ledposition till att direkt mäta ledbeteende vara mer värdefull än att bara öka kodarupplösningen.