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幾種旋轉編碼器的技術原理
發布時間:2019-04-03
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絕對值編碼器,其實現絕對位置反饋和多圈檢測所采用的技術方式卻有很多種,而這種在產品原理上的差異,給用戶帶來的應用體驗也是極為不同的。小編今天和大家來談談幾種不同類型的旋轉編碼器的技術原理,以及它們之間的應用差別。





我們知道,要讓編碼器反饋絕對位置,就必須做到在測量范圍內角度位置編碼的唯一性。



從這個意義上看,我們之前談過的旋轉變壓器 Resolver、磁性編碼器和采用絕對值編碼(如:格雷碼、BCD 碼、16 進制碼...)的光電式編碼器,都是能在一圈的旋轉范圍內做到沒有重復位置信號輸出的,因此可以被用作讀取單圈絕對位置反饋。


所不同的是:



光電編碼器可以達到極高的位置反饋精度和動態響應性能,但同時也很容易受到機械物理環境(如:振動、沖擊...)的影響;



而 Resolver 和磁性編碼器,是基于電磁場感應反饋“編碼”的,測量精度就會比較低,響應速度也較慢,且容易受到電磁噪聲的干擾,因此,很難勝任高動態運控系統的位置反饋;



但同時,由于內部機械結構相對簡單,Resolver 和磁性編碼器對于機械傳動的安裝環境就沒有光電編碼器那么敏感。尤其是 Resolver,內部有著與電機類似的結構,且幾乎沒有任何復雜的電子元器件,被認為非常適合那些機械物理環境較為惡劣的應用場合,例如:高溫、低溫、振動、沖擊、油污...等等。



由于單圈絕對值編碼器的量程僅為一圈,當機械軸旋轉角度超出這個量程范圍時,就會以 360° 為周期輸出重復的位置編碼。此時,就有必要使用多圈絕對值編碼器了。


一般來說,多圈絕對值編碼器的內部結構可以分為兩個部分:單圈角度位置反饋和多圈圈數檢測。



單圈角度位置反饋,基本上就是一支單圈絕對值編碼器?;谒鎸Φ奶囟ㄐ袠I應用(主要是響應精度和對機械環境的敏感性),通常會采用光電碼盤或磁編技術。

多圈圈數檢測,顧名思義,其作用就是識別機械軸旋轉的圈數。將這個圈數值與前面的單圈角度位置組合在一起輸出,就可以為設備系統提供所需要的多圈絕對值位置反饋了。


而用于實現多圈圈數檢測的方法,又分為好幾種,主要包括:電池加計數寄存器、機械齒輪旋轉編碼、韋根原理計數...等等。



電池加計數寄存器的原理其實很簡單,就是利用在編碼器內部加裝的寄存器,記錄和儲存編碼器旋轉時圈數的累加或遞減;而電池的作用,則是為了確保編碼器在斷電的時候,也依然能夠持續做到對圈數的累計和記錄。很多傳統的日系編碼器都會采用此項技術。



這種圈數計數方法最大的好處,就在于其技術實現比較容易,且硬件成本相對較低;但同時,它也有一個經常被人們詬病的缺點,就是會讓編碼器在電池沒電(或損壞)時丟失圈數記錄。



不過,個人認為,圈數記錄在電池掉電的情況下發生數據丟失,只不過是一個表象而已,其圈數反饋必須依賴于歷史數據記錄的運行機理,才是問題的根本所在??梢哉f,對于機械軸旋轉圈數,這種編碼器基本上沒有采取什么檢測措施,僅僅是做了簡單的計數累加而已。即使沒遇到電池掉電(或損壞),也完全可能因為線路干擾、寄存器失效、計數錯誤...等其他原因導致寄存器內歷史記錄丟失,從而造成多圈絕對值編碼器功能的失效。



相比之下,機械齒輪式的多圈絕對值編碼器在圈數檢測方面就有著更高的可靠性。



這種編碼器內部會有一個類似自來水表的齒輪傳動結構,即一串與主機械軸逐級咬合的減速齒輪組,每一級齒輪都與上一級齒輪和主機械軸之間有著整數倍的減速比關系。因此,通過識別每個齒輪的旋轉角度位置,即可以實現對編碼器主機械軸旋轉圈數的檢測。



而對各齒輪角度位置的檢測,所采用的就是和上述單圈絕對值編碼器相同的技術,通常為絕對值光電碼盤或磁性編碼器。


如上圖所示的多圈絕對值編碼器,就是采用光電碼盤技術測量其單圈位置和多圈齒輪角度的。



而在上圖所示的多圈絕對值編碼器中,單圈絕對位置和多圈齒輪角度的檢測就都使用了霍爾傳感器(磁編技術)。多圈檢測使用了 3 級齒輪減速,如果每一級齒輪與上一級之間的速比為 1 : 16,那么主機械軸在旋轉時,與每一級齒輪的角度位置比則分別為 16 : 1、256 : 1、4096 : 1,這樣,該編碼器的最大圈數測量范圍就是 4096 圈。



不難發現,這類編碼器輸出的絕對位置反饋,是基于當前機械物理傳動機構直接測得的,而不是根據歷史記錄計算出來的,無需電池,更不會受到線路干擾、程序錯誤...等外界環境的影響,從位置檢測的源頭做到了信號反饋的可靠性。



當然,我們也應該看到,這樣一支 4096 圈的多圈絕對值編碼器,其內部相當于有 4 套單圈絕對值編碼器的檢測機構,以及一套復雜精密的串聯齒輪組。因此,這種機械齒輪式多圈絕對值編碼器,通常會比一般的單圈絕對值編碼器和電池加計數寄存器式的多圈絕對值編碼器貴很多。


為了滿足用戶對多圈絕對值編碼器低成本、無電池的需求,這幾年市面上開始出現一種基于“韋根效應”的多圈絕對值編碼器技術。



1974 年,一位名叫做 John R. Wiegand 的物理學家發現,經過適當處理的合金絲,因外殼和內芯之間的磁性差異,在特定的外加磁場條件作用下,可以使內芯與外殼的磁化方向相同或相反,同時磁極性的快速變化會使得合金絲兩端產生一個短而有力的電脈沖,這種現象被稱作“韋根效應”。



將基于韋根效應制成的韋根線圈置于磁性編碼器內并靠近機械軸上的末端磁鐵,就可以借助磁場旋轉在線圈兩端激發出來的電脈沖,觸發其內部寄存器的計數累加動作,從而實現對磁性編碼器的圈數檢測;



經過多年的技術積累,現在的韋根線圈(傳感器)已經能夠在磁極變化時產生足夠強勁的電力,從而使得這種多圈絕對位置編碼器,可以在不依賴外部電池的情況下完成對旋轉圈數的計數檢測。



可以看到,基于韋根效應的多圈絕對值編碼器,其多圈圈數檢測的基本原理和前面說的電池加計數寄存器的方式是一樣的,只是因為使用了韋根線圈,讓圈數累計不再需要依賴于電池供電和碼盤讀數。不過這仍然無法改變其位置編碼是基于歷史數據計算出來的事實。寄存器內圈數和位置記錄因線路干擾、存儲失效、計數錯誤...等電氣或軟件原因而意外丟失,進而造成編碼器多圈絕對值反饋功能的失效,是完全有可能性。



此外,韋根線圈在磁性編碼器內部的安裝精度,即與機械軸末端磁鐵之間的相對位置誤差,也會成為一個潛在的問題。因為,這一方面會直接影響編碼器的測量精度;另一方面,還可能因為過高的工藝要求而帶來產品硬件成本的增加。



盡管目前一些使用韋根傳感器的編碼器廠家已經在這項技術上有了多年的深入研究和積累,也針對上面提到的各種潛在問題做出了相應的澄清,并給出了不少“有效”的解決方案,例如:存儲器元件可靠性的提升、圈數檢測算法、EMC 抗干擾措施...等等,但對于制造業用戶而言,產品能夠實實在在的在設備上長時間穩定可靠的運行才是最有說服力的。從這個角度看,這種多圈絕對值磁編在工業市場的普及應用,應該仍然需要有很長很長的路要走,目測這期間將必定會經歷無數的用戶反饋和產品迭代。



個人認為,從長期看,多圈磁編肯定是會有其一席之地的,畢竟,成本優勢在那兒放著呢;并且,理論上講,這種絕對值編碼器的圈數量程幾乎可以說是沒有限制的。但前提必須是先解決好上面所說的這些問題。



而就目前看,多圈磁編或許更適合用于那些對可靠性要求不那么嚴苛的位置檢測應用;而若需要位置反饋具備較高的動態響應特性,比較可靠的做法,或許還是使用機械齒輪式的多圈絕對值編碼器。




另外,要實現多圈絕對位置反饋,其實還有一種非常簡單的方法,就是在單圈絕對值編碼器的機械軸輸入端加裝一支行星齒輪減速機,成倍提升編碼器的圈數測量范圍。



顯然,受到機械結構的限制,這種多圈反饋方式的檢測量程并不會太大;同時,以單圈位置編碼覆蓋較長的運動行程,其反饋精度也一定是大打折扣的。因此,比較適合那些對測量精度和行程都要求都不太高的經濟型應用場合。


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