不同類型的絕對值編碼器的特點(diǎn)與應(yīng)用

作為兩種絕對值編碼器，使用了許多技術(shù)方法來實(shí)現(xiàn)絕對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)的位置信號輸出，因此它們可以用于讀取單個(gè)旋轉(zhuǎn)的絕對位置反饋。

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、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)相對簡單，解析器和磁編碼器對機(jī)械傳動的安裝環(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、沖擊、油污等。



由于單圈絕對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值編碼器。

通常，多圈絕對值編碼器的內(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)識別。



單圈角度位置反饋基本上是一個(gè)單圈絕對值編碼器?；谔囟ǖ墓I(yè)應(yīng)用（主要是對機(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)相對簡單，硬件成本相對較低；但與此同時(shí)，它也有一個(gè)經(jīng)常被人們批評的缺點(diǎn)，即如果電池電量不足（或損壞），它會導(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。可以說，該編碼器對機(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值編碼器相同的技術(shù)，通常是絕對值光電編碼器或磁性編碼器。

多圈絕對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，該編碼器的絕對位置反饋是在當(dāng)前機(jī)械和物理傳動機(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)絕對值編碼器對應(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)械傳動型多圈絕對值編碼器通常比普通的單圈絕對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。

為了滿足用戶對性價(jià)比高、無電池的多圈絕對值編碼器的需求，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)和累加動作，從而實(shí)現(xiàn)對磁性編碼器轉(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，但他們也對上述各種潛在問題進(jìn)行了適當(dāng)?shù)某吻?，并提供了許多“有效”的解決方案，例如提高存儲系統(tǒng)的可靠性。

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