不同類型的絕對值編碼器的特點與應用

作為兩種絕對值編碼器，使用了許多技術方法來實現絕對位置反饋和多次旋轉檢測，而這種產品原理的差異給用戶帶來了完全不同的應用體驗。

今天和大家討論一下關于不同絕對值編碼器的技術基礎和應用差異。

我們知道，在編碼器提供絕對位置反饋的測量范圍內，有必要實現角位置編碼的唯一性。

從這個意義上說，我們前面討論的光電編碼器和在旋轉的旋轉范圍內使用（如格雷碼、BCD碼、十六進制碼…）的光電編碼器無法實現重復的位置信號輸出，因此它們可以用于讀取單個旋轉的絕對位置反饋。

不同之處在于：



光電編碼器可以實現極高的位置反饋精度和動態響應性能，但也容易受到機械和物理環境（如振動、沖擊等）的影響；



旋轉變壓器和磁性編碼器基于電磁感應反饋編碼，這導致測量精度較低，響應速度較慢，易受電磁干擾。因此，它們很難在高度動態的操作和控制系統中處理位置反饋；



但同時，由于內部機械結構相對簡單，解析器和磁編碼器對機械傳動的安裝環境不如光電編碼器敏感。尤其是旋轉變壓器，其結構與電機相似，幾乎沒有復雜的電子元件，被認為非常適合具有苛刻機械和物理環境的應用，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，因此如果超過機械軸旋轉角度，則會以360°循環輸出重復的位置代碼。在這一點上，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部結構可以分為兩部分：單角度位置反饋和多圈數識別。



單圈角度位置反饋基本上是一個單圈絕對值編碼器。基于特定的工業應用（主要是對機械環境的響應精度和靈敏度），通常使用光電編碼器或磁性編碼器技術。



顧名思義，多圈檢測用于識別機械軸旋轉的圈數。通過將該圓值與先前的單圓角度位置及其組合相結合，設備系統可以提供所需的多回路絕對值位置反饋。

用于實現多圈檢測的方法可分為幾種類型，主要包括：電池加計數寄存器、機械傳動旋轉編碼、韋根原理計數等待。

在電池中添加計數寄存器的原理實際上非常簡單，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過程中圈數的累積或減少；電池的功能是確保編碼器即使在斷電的情況下也能繼續積累和記錄轉數。許多傳統的日本編碼器都使用這項技術。

這種循環計數方法的最大優點是技術實現相對簡單，硬件成本相對較低；但與此同時，它也有一個經常被人們批評的缺點，即如果電池電量不足（或損壞），它會導致編碼器丟失圈記錄。

然而，在我個人看來，電池斷電時的數據丟失只是表面現象，對轉數的反饋必須基于歷史記錄的運行機制，這才是根本問題。可以說，該編碼器對機械軸轉數不采取任何檢測措施，只進行簡單的計數和累加。即使沒有電池損失（或損壞），也很可能是由于線路故障、寄存器故障。

每個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，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）來檢測單圈旋轉的絕對位置和多圈齒輪箱的角度。如果每個步進齒輪與前一個步進齒輪之間的速比為1:16，則旋轉過程中機械主軸與每個步進傳動齒輪的角位置比為16:1、256:1和4096:1。因此，編碼器的最大旋轉測量范圍為4096轉。



不難確定，該編碼器的絕對位置反饋是在當前機械和物理傳動機構的基礎上直接測量的，而不是在歷史記錄的基礎上計算的，不需要電池，并且不受線路故障或程序錯誤的影響。由于外部環境的影響，已經實現了來自位置檢測源的信號反饋的可靠性。

當然，我們也應該看到，這樣一個4096旋轉絕對值編碼器對應于一個檢測機構，該檢測機構具有四組單旋轉絕對值編碼器和一個復雜而精確的串聯齒輪箱組。因此，這種機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數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，近年來市場上出現了一種基于“韋根效應”的多圈完全編碼器技術。

物理學家發現，由于外殼和內芯之間的磁差，經過適當處理的合金線可以導致內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，磁極性的快速變化會導致合金線兩端產生短而強的電脈沖，這種現象被稱為“維根效應”。

將基于Wiegan效應的Wiegan線圈放置在磁性編碼器內部，靠近機械軸上的端磁體。通過利用磁場旋轉激發線圈兩端的電脈沖，可以觸發其內部寄存器的計數和累加動作，從而實現對磁性編碼器轉數的檢測；

經過多年的技術積累，目前的韋根線圈（傳感器）能夠在改變磁極時產生足夠的功率，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行計數和檢測圈數。

顯然，基于用于多圈檢測的韋根效應的多圈絕對值編碼器的基本原理與將計數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，旋轉的累積不再取決于電池功率和碼盤讀數，但這不能改變位置編碼是根據歷史數據計算的事實。由于線路故障、存儲器故障、計數錯誤而記錄內部電路和位置記錄由于電氣或軟件相關原因導致的意外丟失很可能導致編碼器的多圈絕對值反饋功能失效。

此外，磁編碼器內韋根線圈的安裝精度，即與機械軸的最終磁體的相對位置誤差，也可能成為一個潛在的問題。因為這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，它也可能導致產品的硬件成本增加。

盡管一些使用韋根傳感器的編碼器制造商在這項技術上進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行了適當的澄清，并提供了許多“有效”的解決方案，例如提高存儲系統的可靠性。

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