不同類型的絕對(duì)值編碼器的特點(diǎn)與應(yīng)用

作為兩種絕對(duì)值編碼器，使用了許多技術(shù)方法來實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置反饋和多次旋轉(zhuǎn)檢測，而這種產(chǎn)品原理的差異給用戶帶來了完全不同的應(yīng)用體驗(yàn)。

今天和大家討論一下關(guān)于不同絕對(duì)值編碼器的技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用差異。

我們知道，在編碼器提供絕對(duì)位置反饋的測量范圍內(nèi)，有必要實(shí)現(xiàn)角位置編碼的唯一性。

從這個(gè)意義上說，我們前面討論的光電編碼器和在旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)使用（如格雷碼、BCD碼、十六進(jìn)制碼…）的光電編碼器無法實(shí)現(xiàn)重復(fù)的位置信號(hào)輸出，因此它們可以用于讀取單個(gè)旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置反饋。

不同之處在于：



光電編碼器可以實(shí)現(xiàn)極高的位置反饋精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，但也容易受到機(jī)械和物理環(huán)境（如振動(dòng)、沖擊等）的影響；



旋轉(zhuǎn)變壓器和磁性編碼器基于電磁感應(yīng)反饋編碼，這導(dǎo)致測量精度較低，響應(yīng)速度較慢，易受電磁干擾。因此，它們很難在高度動(dòng)態(tài)的操作和控制系統(tǒng)中處理位置反饋；



但同時(shí)，由于內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，解析器和磁編碼器對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的安裝環(huán)境不如光電編碼器敏感。尤其是旋轉(zhuǎn)變壓器，其結(jié)構(gòu)與電機(jī)相似，幾乎沒有復(fù)雜的電子元件，被認(rèn)為非常適合具有苛刻機(jī)械和物理環(huán)境的應(yīng)用，如高溫、低溫、振動(dòng)、沖擊、油污等。



由于單圈絕對(duì)值編碼器的范圍僅為一圈，因此如果超過機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)角度，則會(huì)以360°循環(huán)輸出重復(fù)的位置代碼。在這一點(diǎn)上，有必要使用多圈絕對(duì)值編碼器。

通常，多圈絕對(duì)值編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為兩部分：單角度位置反饋和多圈數(shù)識(shí)別。



單圈角度位置反饋基本上是一個(gè)單圈絕對(duì)值編碼器?；谔囟ǖ墓I(yè)應(yīng)用（主要是對(duì)機(jī)械環(huán)境的響應(yīng)精度和靈敏度），通常使用光電編碼器或磁性編碼器技術(shù)。



顧名思義，多圈檢測用于識(shí)別機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。通過將該圓值與先前的單圓角度位置及其組合相結(jié)合，設(shè)備系統(tǒng)可以提供所需的多回路絕對(duì)值位置反饋。

用于實(shí)現(xiàn)多圈檢測的方法可分為幾種類型，主要包括：電池加計(jì)數(shù)寄存器、機(jī)械傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼、韋根原理計(jì)數(shù)等待。

在電池中添加計(jì)數(shù)寄存器的原理實(shí)際上非常簡單，即使用安裝在編碼器中的寄存器來記錄和存儲(chǔ)編碼器旋轉(zhuǎn)過程中圈數(shù)的累積或減少；電池的功能是確保編碼器即使在斷電的情況下也能繼續(xù)積累和記錄轉(zhuǎn)數(shù)。許多傳統(tǒng)的日本編碼器都使用這項(xiàng)技術(shù)。

這種循環(huán)計(jì)數(shù)方法的最大優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，硬件成本相對(duì)較低；但與此同時(shí)，它也有一個(gè)經(jīng)常被人們批評(píng)的缺點(diǎn)，即如果電池電量不足（或損壞），它會(huì)導(dǎo)致編碼器丟失圈記錄。

然而，在我個(gè)人看來，電池?cái)嚯姇r(shí)的數(shù)據(jù)丟失只是表面現(xiàn)象，對(duì)轉(zhuǎn)數(shù)的反饋必須基于歷史記錄的運(yùn)行機(jī)制，這才是根本問題?？梢哉f，該編碼器對(duì)機(jī)械軸轉(zhuǎn)數(shù)不采取任何檢測措施，只進(jìn)行簡單的計(jì)數(shù)和累加。即使沒有電池?fù)p失（或損壞），也很可能是由于線路故障、寄存器故障。

每個(gè)變速器的角位置檢測使用與上述單圈絕對(duì)值編碼器相同的技術(shù)，通常是絕對(duì)值光電編碼器或磁性編碼器。

多圈絕對(duì)值編碼器采用光電編碼器技術(shù)測量其單圈位置和多圈齒輪角度。



上圖所示的多圈絕對(duì)值編碼器使用霍爾傳感器（磁性編碼技術(shù)）來檢測單圈旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置和多圈齒輪箱的角度。如果每個(gè)步進(jìn)齒輪與前一個(gè)步進(jìn)齒輪之間的速比為1:16，則旋轉(zhuǎn)過程中機(jī)械主軸與每個(gè)步進(jìn)傳動(dòng)齒輪的角位置比為16:1、256:1和4096:1。因此，編碼器的最大旋轉(zhuǎn)測量范圍為4096轉(zhuǎn)。



不難確定，該編碼器的絕對(duì)位置反饋是在當(dāng)前機(jī)械和物理傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上直接測量的，而不是在歷史記錄的基礎(chǔ)上計(jì)算的，不需要電池，并且不受線路故障或程序錯(cuò)誤的影響。由于外部環(huán)境的影響，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了來自位置檢測源的信號(hào)反饋的可靠性。

當(dāng)然，我們也應(yīng)該看到，這樣一個(gè)4096旋轉(zhuǎn)絕對(duì)值編碼器對(duì)應(yīng)于一個(gè)檢測機(jī)構(gòu)，該檢測機(jī)構(gòu)具有四組單旋轉(zhuǎn)絕對(duì)值編碼器和一個(gè)復(fù)雜而精確的串聯(lián)齒輪箱組。因此，這種機(jī)械傳動(dòng)型多圈絕對(duì)值編碼器通常比普通的單圈絕對(duì)值編碼器和電池加計(jì)數(shù)器寄存器型多圈完全編碼器昂貴得多。

為了滿足用戶對(duì)性價(jià)比高、無電池的多圈絕對(duì)值編碼器的需求，近年來市場上出現(xiàn)了一種基于“韋根效應(yīng)”的多圈完全編碼器技術(shù)。

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，由于外殼和內(nèi)芯之間的磁差，經(jīng)過適當(dāng)處理的合金線可以導(dǎo)致內(nèi)芯和外殼在某些外部磁場條件下的磁化方向相等或相反。同時(shí)，磁極性的快速變化會(huì)導(dǎo)致合金線兩端產(chǎn)生短而強(qiáng)的電脈沖，這種現(xiàn)象被稱為“維根效應(yīng)”。

將基于Wiegan效應(yīng)的Wiegan線圈放置在磁性編碼器內(nèi)部，靠近機(jī)械軸上的端磁體。通過利用磁場旋轉(zhuǎn)激發(fā)線圈兩端的電脈沖，可以觸發(fā)其內(nèi)部寄存器的計(jì)數(shù)和累加動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性編碼器轉(zhuǎn)數(shù)的檢測；

經(jīng)過多年的技術(shù)積累，目前的韋根線圈（傳感器）能夠在改變磁極時(shí)產(chǎn)生足夠的功率，使這種多圈絕對(duì)位置傳感器能夠在沒有外部電池的情況下進(jìn)行計(jì)數(shù)和檢測圈數(shù)。

顯然，基于用于多圈檢測的韋根效應(yīng)的多圈絕對(duì)值編碼器的基本原理與將計(jì)數(shù)寄存器添加到上述電池的過程相同。然而，由于使用了維甘線圈，旋轉(zhuǎn)的累積不再取決于電池功率和碼盤讀數(shù)，但這不能改變位置編碼是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算的事實(shí)。由于線路故障、存儲(chǔ)器故障、計(jì)數(shù)錯(cuò)誤而記錄內(nèi)部電路和位置記錄由于電氣或軟件相關(guān)原因?qū)е碌囊馔鈦G失很可能導(dǎo)致編碼器的多圈絕對(duì)值反饋功能失效。

此外，磁編碼器內(nèi)韋根線圈的安裝精度，即與機(jī)械軸的最終磁體的相對(duì)位置誤差，也可能成為一個(gè)潛在的問題。因?yàn)檫@一方面直接影響編碼器的測量精度；另一方面，由于過度的工藝要求，它也可能導(dǎo)致產(chǎn)品的硬件成本增加。

盡管一些使用韋根傳感器的編碼器制造商在這項(xiàng)技術(shù)上進(jìn)行了多年的深入研究和積累，但他們也對(duì)上述各種潛在問題進(jìn)行了適當(dāng)?shù)某吻澹⑻峁┝嗽S多“有效”的解決方案，例如提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性。

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