編碼器作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心感知部件，主要負(fù)責(zé)捕獲機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、位置、角度、位移及計(jì)數(shù)等信息，并將其轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)可識(shí)別的數(shù)字語(yǔ)言。其性能水平的高低直接決定整個(gè)伺服系統(tǒng)的控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)與運(yùn)行穩(wěn)定性。

行業(yè)變革催生編碼器需求增長(zhǎng)

編碼器在工業(yè)自動(dòng)化和人形機(jī)器人等熱門(mén)領(lǐng)域中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。特別是智能關(guān)節(jié)和靈巧手等人形機(jī)器人核心部件對(duì)編碼器的尺寸、精度、抗干擾能力提出了更高要求，這一需求趨勢(shì)，將加速編碼器技術(shù)向更低延遲、更高集成、更高效能、更高性價(jià)比方向演進(jìn)。

單臺(tái)人形機(jī)器人編碼器配置數(shù)量

數(shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

編碼器技術(shù)路線演進(jìn)

從“協(xié)議轉(zhuǎn)換”到“模擬信號(hào)解碼”

編碼器按內(nèi)部信號(hào)處理方式，主要分為協(xié)議轉(zhuǎn)換（集成式）和模擬信號(hào)解碼（分立式）兩大類。

協(xié)議轉(zhuǎn)換編碼器方案

傳統(tǒng)編碼器，通常在傳感器模組內(nèi)部集成專用DSP調(diào)理芯片及算法。

• 工作模式：傳感器內(nèi)部DSP處理完信號(hào)后，通過(guò)SPI/I2C/UART等通信接口讀取角度信息，但這些信息不能直接應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，需通過(guò)MCU處理轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別的編碼器協(xié)議，如多摩川/BiSS-C/SSI等，另外可能還需要進(jìn)行多圈計(jì)數(shù)或低功耗管理。
• 方案優(yōu)勢(shì)：?jiǎn)稳δ芎退惴ǜ叨燃桑_(kāi)發(fā)難度低，產(chǎn)品可快速落地。
• 方案局限性：專用傳感器模組/DSP成本較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多圈計(jì)數(shù)，且大部分不支持編碼器協(xié)議，需額外搭配MCU，成本優(yōu)化空間有限；不同場(chǎng)景需更換不同的專用傳感器模組/DSP，不利于維護(hù)；信號(hào)校準(zhǔn)和角度補(bǔ)償算法固化，無(wú)法通過(guò)優(yōu)化算法提高角度精度。
• 極海布局：已推出基于APM32E030/F402/F103工業(yè)級(jí)MCU的多款協(xié)議轉(zhuǎn)換型編碼器參考方案，并規(guī)?；慨a(chǎn)應(yīng)用于行業(yè)頭部客戶產(chǎn)品中。

模擬信號(hào)解碼編碼器方案

隨著絕對(duì)值編碼器技術(shù)的普及，越來(lái)越多編碼器應(yīng)用傾向于模擬信號(hào)解碼方案。

• 工作模式：無(wú)需專用DSP調(diào)理芯片，直接將SIN/COS信號(hào)輸入到MCU中，其中MCU可兼顧“信號(hào)采集+算法解算+多圈計(jì)數(shù)+協(xié)議轉(zhuǎn)換”四大功能。
• 方案優(yōu)勢(shì)：

節(jié)約成本：采用更低成本的傳感器和高性價(jià)比MCU，整體BOM成本可降低20%~30%；

精度可控：用戶可結(jié)合更適配的算法，對(duì)SIN/COS信號(hào)進(jìn)行信號(hào)校準(zhǔn)、角度補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償；

靈活定制：可根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)特殊格式輸出，例如ABZ信號(hào)、專用協(xié)議等。

• 極海布局：基于G32R430編碼器專用MCU，極海已正式推出在軸單圈/多圈多摩川協(xié)議磁電式絕對(duì)值編碼器參考方案。同時(shí)，針對(duì)不同應(yīng)用需求，極海還將陸續(xù)推出在軸BiSS-C協(xié)議磁電式、離軸磁電式、電感式等絕對(duì)值編碼器方案。

G32R430編碼器方案板

極海G32R430在軸多摩川協(xié)議

磁電式絕對(duì)值編碼器方案

極海G32R430在軸多摩川協(xié)議磁電式編碼器方案，通過(guò)高精度編碼器專用MCU與客戶算法深度融合，可實(shí)現(xiàn)低延時(shí)電角度計(jì)算、高精度信號(hào)處理及多協(xié)議兼容性，為人形機(jī)器人及工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備提供實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的位置反饋。另外，通過(guò)超低功耗與小尺寸設(shè)計(jì)，有助于提升設(shè)備續(xù)航能力與結(jié)構(gòu)緊湊性，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)性能。

G32R430編碼器方案框圖

• 高效運(yùn)算性能：搭載極海G32R430編碼器專用MCU，協(xié)同自研ATAN電角度計(jì)算擴(kuò)展指令（運(yùn)算精度＜0.0001°），可實(shí)現(xiàn)＜1μs的編碼器電角度計(jì)算時(shí)間，滿足人形機(jī)器人及工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求；
• 高精度、高分辨率

N對(duì)極磁鋼/磁環(huán)，真實(shí)分辨率高達(dá)16+N位，單對(duì)極磁鋼/磁環(huán)理論角度精度優(yōu)于0.0155°（56角秒）；17位真實(shí)分辨率，滿足大部分伺服應(yīng)用場(chǎng)景需求；

內(nèi)置2個(gè)16位高精度ADC，差分輸入有效位≥13.5-bit，可快速計(jì)算當(dāng)前角度，高效運(yùn)行用戶調(diào)理算法、補(bǔ)償算法、校正算法；

核心鏈路非算法執(zhí)行時(shí)間（信號(hào)采樣+電角度計(jì)算）＜3μs，約8μs時(shí)間可執(zhí)行信號(hào)校準(zhǔn)、角度補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償?shù)人惴?，有助于進(jìn)一步提升編碼器精度；

采用多維TMR磁頭，具備較高靈敏度與信號(hào)抗干擾能力。

G32R430核心鏈路非算法執(zhí)行時(shí)間圖

• 高通信速率：采用多摩川協(xié)議，通訊速率可靈活設(shè)置，最高可達(dá)8Mpbs。
• 超低功耗設(shè)計(jì)：

G32R430芯片：Stop功耗＜15μA，喚醒時(shí)間＜20μs；Standby功耗＜2μA，喚醒時(shí)間＜50μs；

編碼器方案：靜態(tài)平均功耗約14μA，1100mAh電池使用壽命7年以上。

• 高安全系數(shù)：支持超速報(bào)警、EEPROM讀寫(xiě)錯(cuò)誤、單圈跳變、圈數(shù)溢出、過(guò)溫報(bào)警、多圈錯(cuò)誤、電池低壓錯(cuò)誤、電池欠壓等報(bào)警功能，可及時(shí)反饋系統(tǒng)異常情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)異常狀態(tài)；
• 分立式方案：性價(jià)比高，功能和性能自主可控，有助于降低編碼器BOM成本；支持二次開(kāi)發(fā)，單平臺(tái)可滿足不同應(yīng)用需求；
• 小型化設(shè)計(jì)：電路板直徑35mm，可應(yīng)用于最小40mm法蘭的伺服電機(jī)中，有助于大幅縮減編碼器PCBA體積，完美適配緊湊型設(shè)計(jì)。

極海G32R430編碼器專用MCU芯片介紹

為高精度運(yùn)動(dòng)控制和位置反饋設(shè)計(jì)

極海G32R430具備低功耗、高集成、低延遲、高精度等特性，既能發(fā)揮信號(hào)采集調(diào)理功能，也能實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能；支持定制化處理的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)降本增效。G32R430可為廣大專業(yè)編碼器廠商和終端客戶的在軸/離軸磁編碼器、離軸霍爾傳感編碼器、離軸感應(yīng)編碼器等，提供低成本、高精度、高效率、極具競(jìng)爭(zhēng)力的國(guó)產(chǎn)化編碼器專用MCU芯片選擇。

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總結(jié)

極海G32R430編碼器專用MCU及方案

可助力行業(yè)解決哪些問(wèn)題？

極海G32R430編碼器專用MCU及在軸多摩川協(xié)議磁電式絕對(duì)值編碼器方案，致力于解決人形機(jī)器人及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的高精度運(yùn)動(dòng)控制與系統(tǒng)集成難題。

1. 降低運(yùn)算時(shí)延：G32R430作為業(yè)界首款支持終端編碼器自主算法的國(guó)產(chǎn)化編碼器專用MCU，通過(guò)內(nèi)置自研ATAN電角度計(jì)算擴(kuò)展指令，有效解決傳統(tǒng)SIN/COS電角度運(yùn)算耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題，顯著降低檢測(cè)延時(shí)，提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力；
2. 提升準(zhǔn)確性：內(nèi)置16位高精度ADC，從信號(hào)源頭保障位置檢測(cè)準(zhǔn)確性，大幅提升運(yùn)動(dòng)控制的可靠性與精度；
3. 緊湊性設(shè)計(jì)：集成豐富外設(shè)資源，內(nèi)置主電電壓檢測(cè)模塊EVS，有助于節(jié)省外部電路，適配小型化產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求；
4. 自主可控：G32R430單芯片平臺(tái)，支持光電與磁電編碼器應(yīng)用，可協(xié)助客戶實(shí)現(xiàn)高效特俗算法，為多場(chǎng)景提供靈活、高效的國(guó)產(chǎn)化編碼器解決方案。

目前，極海已正式推出G32R430在軸多摩川協(xié)議磁電式編碼器參考方案，配套有參考設(shè)計(jì)、方案規(guī)格書(shū)、原理圖、軟件工程說(shuō)明書(shū)等技術(shù)文檔資料，掃描下方二維碼，提交需求申請(qǐng)，即可獲取更多產(chǎn)品信息與技術(shù)資料。

*極海工控芯片事業(yè)部供稿