不同类型的绝对编码器的特点与应用

不同类型的绝对值编码器的特点与应用

作为两种绝对值编码器，使用了许多技术方法来实现绝对位置反馈和多次旋转检测，而这种产品原理的差异给用户带来了完全不同的应用体验。

今天和大家讨论一下关于不同绝对值编码器的技术基础和应用差异。

我们知道，在编码器提供绝对位置反馈的测量范围内，有必要实现角位置编码的唯一性。

从这个意义上说，我们前面讨论的光电编码器和在旋转的旋转范围内使用（如格雷码、BCD码、十六进制码…）的光电编码器无法实现重复的位置信号输出，因此它们可以用于读取单个旋转的绝对位置反馈。

不同之处在于：



光电编码器可以实现极高的位置反馈精度和动态响应性能，但也容易受到机械和物理环境（如振动、冲击等）的影响；



旋转变压器和磁性编码器基于电磁感应反馈编码，这导致测量精度较低，响应速度较慢，易受电磁干扰。因此，它们很难在高度动态的操作和控制系统中处理位置反馈；



但同时，由于内部机械结构相对简单，解析器和磁编码器对机械传动的安装环境不如光电编码器敏感。尤其是旋转变压器，其结构与电机相似，几乎没有复杂的电子元件，被认为非常适合具有苛刻机械和物理环境的应用，如高温、低温、振动、冲击、油污等。



由于单圈绝对值编码器的范围仅为一圈，因此如果超过机械轴旋转角度，则会以360°循环输出重复的位置代码。在这一点上，有必要使用多圈绝对值编码器。

通常，多圈绝对值编码器的内部结构可以分为两部分：单角度位置反馈和多圈数识别。



单圈角度位置反馈基本上是一个单圈绝对值编码器。基于特定的工业应用（主要是对机械环境的响应精度和灵敏度），通常使用光电编码器或磁性编码器技术。



顾名思义，多圈检测用于识别机械轴旋转的圈数。通过将该圆值与先前的单圆角度位置及其组合相结合，设备系统可以提供所需的多回路绝对值位置反馈。

用于实现多圈检测的方法可分为几种类型，主要包括：电池加计数寄存器、机械传动旋转编码、韦根原理计数等待。

在电池中添加计数寄存器的原理实际上非常简单，即使用安装在编码器中的寄存器来记录和存储编码器旋转过程中圈数的累积或减少；电池的功能是确保编码器即使在断电的情况下也能继续积累和记录转数。许多传统的日本编码器都使用这项技术。

这种循环计数方法的最大优点是技术实现相对简单，硬件成本相对较低；但与此同时，它也有一个经常被人们批评的缺点，即如果电池电量不足（或损坏），它会导致编码器丢失圈记录。

然而，在我个人看来，电池断电时的数据丢失只是表面现象，对转数的反馈必须基于历史记录的运行机制，这才是根本问题。可以说，该编码器对机械轴转数不采取任何检测措施，只进行简单的计数和累加。即使没有电池损失（或损坏），也很可能是由于线路故障、寄存器故障。

每个变速器的角位置检测使用与上述单圈绝对值编码器相同的技术，通常是绝对值光电编码器或磁性编码器。

多圈绝对值编码器采用光电编码器技术测量其单圈位置和多圈齿轮角度。



上图所示的多圈绝对值编码器使用霍尔传感器（磁性编码技术）来检测单圈旋转的绝对位置和多圈齿轮箱的角度。如果每个步进齿轮与前一个步进齿轮之间的速比为1:16，则旋转过程中机械主轴与每个步进传动齿轮的角位置比为16:1、256:1和4096:1。因此，编码器的最大旋转测量范围为4096转。



不难确定，该编码器的绝对位置反馈是在当前机械和物理传动机构的基础上直接测量的，而不是在历史记录的基础上计算的，不需要电池，并且不受线路故障或程序错误的影响。由于外部环境的影响，已经实现了来自位置检测源的信号反馈的可靠性。

当然，我们也应该看到，这样一个4096旋转绝对值编码器对应于一个检测机构，该检测机构具有四组单旋转绝对值编码器和一个复杂而精确的串联齿轮箱组。因此，这种机械传动型多圈绝对值编码器通常比普通的单圈绝对值编码器和电池加计数器寄存器型多圈完全编码器昂贵得多。

为了满足用户对性价比高、无电池的多圈绝对值编码器的需求，近年来市场上出现了一种基于“韦根效应”的多圈完全编码器技术。

物理学家发现，由于外壳和内芯之间的磁差，经过适当处理的合金线可以导致内芯和外壳在某些外部磁场条件下的磁化方向相等或相反。同时，磁极性的快速变化会导致合金线两端产生短而强的电脉冲，这种现象被称为“维根效应”。

将基于Wiegan效应的Wiegan线圈放置在磁性编码器内部，靠近机械轴上的端磁体。通过利用磁场旋转激发线圈两端的电脉冲，可以触发其内部寄存器的计数和累加动作，从而实现对磁性编码器转数的检测；

经过多年的技术积累，目前的韦根线圈（传感器）能够在改变磁极时产生足够的功率，使这种多圈绝对位置传感器能够在没有外部电池的情况下进行计数和检测圈数。

显然，基于用于多圈检测的韦根效应的多圈绝对值编码器的基本原理与将计数寄存器添加到上述电池的过程相同。然而，由于使用了维甘线圈，旋转的累积不再取决于电池功率和码盘读数，但这不能改变位置编码是根据历史数据计算的事实。由于线路故障、存储器故障、计数错误而记录内部电路和位置记录由于电气或软件相关原因导致的意外丢失很可能导致编码器的多圈绝对值反馈功能失效。

此外，磁编码器内韦根线圈的安装精度，即与机械轴的最终磁体的相对位置误差，也可能成为一个潜在的问题。因为这一方面直接影响编码器的测量精度；另一方面，由于过度的工艺要求，它也可能导致产品的硬件成本增加。

尽管一些使用韦根传感器的编码器制造商在这项技术上进行了多年的深入研究和积累，但他们也对上述各种潜在问题进行了适当的澄清，并提供了许多“有效”的解决方案，例如提高存储系统的可靠性。

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