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几种旋转编码器的技术原理
发布时间:2019-04-03
发布者:不限ip注册送35体验金
浏览次数:164次

绝对值编码器,其实现绝对位置反馈和多圈检测所采用的技术方式却有很多种,而这种在产品原理上的差异,给用户带来的应用体验也是极为不同的。小编今天和大家来谈谈几种不同类型的旋转编码器的技术原理,以及它们之间的应用差别。





我们知道,要让编码器反馈绝对位置,就必须做到在测量范围内角度位置编码的唯一性。



从这个意义上看,我们之前谈过的旋转变压器 Resolver、磁性编码器和采用绝对值编码(如:格雷码、BCD 码、16 进制码...)的光电式编码器,都是能在一圈的旋转范围内做到没有重复位置信号输出的,因此可以被用作读取单圈绝对位置反馈。


所不同的是:



光电编码器可以达到极高的位置反馈精度和动态响应性能,但同时也很容易受到机械物理环境(如:振动、冲击...)的影响;



而 Resolver 和磁性编码器,是基于电磁场感应反馈“编码”的,测量精度就会比较低,响应速度也较慢,且容易受到电磁噪声的干扰,因此,很难胜任高动态运控系统的位置反馈;



但同时,由于内部机械结构相对简单,Resolver 和磁性编码器对于机械传动的安装环境就没有光电编码器那么敏感。尤其是 Resolver,内部有着与电机类似的结构,且几乎没有任何复杂的电子元器件,被认为非常适合那些机械物理环境较为恶劣的应用场合,例如:高温、低温、振动、冲击、油污...等等。



由于单圈绝对值编码器的量程仅为一圈,当机械轴旋转角度超出这个量程范围时,就会以 360° 为周期输出重复的位置编码。此时,就有必要使用多圈绝对值编码器了。


一般来说,多圈绝对值编码器的内部结构可以分为两个部分:单圈角度位置反馈和多圈圈数检测。



单圈角度位置反馈,基本上就是一支单圈绝对值编码器。基于所面对的特定行业应用(主要是响应精度和对机械环境的敏感性),通常会采用光电码盘或磁编技术。

多圈圈数检测,顾名思义,其作用就是识别机械轴旋转的圈数。将这个圈数值与前面的单圈角度位置组合在一起输出,就可以为设备系统提供所需要的多圈绝对值位置反馈了。


而用于实现多圈圈数检测的方法,又分为好几种,主要包括:电池加计数寄存器、机械齿轮旋转编码、韦根原理计数...等等。



电池加计数寄存器的原理其实很简单,就是利用在编码器内部加装的寄存器,记录和储存编码器旋转时圈数的累加或递减;而电池的作用,则是为了确保编码器在断电的时候,也依然能够持续做到对圈数的累计和记录。很多传统的日系编码器都会采用此项技术。



这种圈数计数方法最大的好处,就在于其技术实现比较容易,且硬件成本相对较低;但同时,它也有一个经常被人们诟病的缺点,就是会让编码器在电池没电(或损坏)时丢失圈数记录。



不过,个人认为,圈数记录在电池掉电的情况下发生数据丢失,只不过是一个表象而已,其圈数反馈必须依赖于历史数据记录的运行机理,才是问题的根本所在。可以说,对于机械轴旋转圈数,这种编码器基本上没有采取什么检测措施,仅仅是做了简单的计数累加而已。即使没遇到电池掉电(或损坏),也完全可能因为线路干扰、寄存器失效、计数错误...等其他原因导致寄存器内历史记录丢失,从而造成多圈绝对值编码器功能的失效。



相比之下,机械齿轮式的多圈绝对值编码器在圈数检测方面就有着更高的可靠性。



这种编码器内部会有一个类似自来水表的齿轮传动结构,即一串与主机械轴逐级咬合的减速齿轮组,每一级齿轮都与上一级齿轮和主机械轴之间有着整数倍的减速比关系。因此,通过识别每个齿轮的旋转角度位置,即可以实现对编码器主机械轴旋转圈数的检测。



而对各齿轮角度位置的检测,所采用的就是和上述单圈绝对值编码器相同的技术,通常为绝对值光电码盘或磁性编码器。


如上图所示的多圈绝对值编码器,就是采用光电码盘技术测量其单圈位置和多圈齿轮角度的。



而在上图所示的多圈绝对值编码器中,单圈绝对位置和多圈齿轮角度的检测就都使用了霍尔传感器(磁编技术)。多圈检测使用了 3 级齿轮减速,如果每一级齿轮与上一级之间的速比为 1 : 16,那么主机械轴在旋转时,与每一级齿轮的角度位置比则分别为 16 : 1、256 : 1、4096 : 1,这样,该编码器的最大圈数测量范围就是 4096 圈。



不难发现,这类编码器输出的绝对位置反馈,是基于当前机械物理传动机构直接测得的,而不是根据历史记录计算出来的,无需电池,更不会受到线路干扰、程序错误...等外界环境的影响,从位置检测的源头做到了信号反馈的可靠性。



当然,我们也应该看到,这样一支 4096 圈的多圈绝对值编码器,其内部相当于有 4 套单圈绝对值编码器的检测机构,以及一套复杂精密的串联齿轮组。因此,这种机械齿轮式多圈绝对值编码器,通常会比一般的单圈绝对值编码器和电池加计数寄存器式的多圈绝对值编码器贵很多。


为了满足用户对多圈绝对值编码器低成本、无电池的需求,这几年市面上开始出现一种基于“韦根效应”的多圈绝对值编码器技术。



1974 年,一位名叫做 John R. Wiegand 的物理学家发现,经过适当处理的合金丝,因外壳和内芯之间的磁性差异,在特定的外加磁场条件作用下,可以使内芯与外壳的磁化方向相同或相反,同时磁极性的快速变化会使得合金丝两端产生一个短而有力的电脉冲,这种现象被称作“韦根效应”。



将基于韦根效应制成的韦根线圈置于磁性编码器内并靠近机械轴上的末端磁铁,就可以借助磁场旋转在线圈两端激发出来的电脉冲,触发其内部寄存器的计数累加动作,从而实现对磁性编码器的圈数检测;



经过多年的技术积累,现在的韦根线圈(传感器)已经能够在磁极变化时产生足够强劲的电力,从而使得这种多圈绝对位置编码器,可以在不依赖外部电池的情况下完成对旋转圈数的计数检测。



可以看到,基于韦根效应的多圈绝对值编码器,其多圈圈数检测的基本原理和前面说的电池加计数寄存器的方式是一样的,只是因为使用了韦根线圈,让圈数累计不再需要依赖于电池供电和码盘读数。不过这仍然无法改变其位置编码是基于历史数据计算出来的事实。寄存器内圈数和位置记录因线路干扰、存储失效、计数错误...等电气或软件原因而意外丢失,进而造成编码器多圈绝对值反馈功能的失效,是完全有可能性。



此外,韦根线圈在磁性编码器内部的安装精度,即与机械轴末端磁铁之间的相对位置误差,也会成为一个潜在的问题。因为,这一方面会直接影响编码器的测量精度;另一方面,还可能因为过高的工艺要求而带来产品硬件成本的增加。



尽管目前一些使用韦根传感器的编码器厂家已经在这项技术上有了多年的深入研究和积累,也针对上面提到的各种潜在问题做出了相应的澄清,并给出了不少“有效”的解决方案,例如:存储器元件可靠性的提升、圈数检测算法、EMC 抗干扰措施...等等,但对于制造业用户而言,产品能够实实在在的在设备上长时间稳定可靠的运行才是最有说服力的。从这个角度看,这种多圈绝对值磁编在工业市场的普及应用,应该仍然需要有很长很长的路要走,目测这期间将必定会经历无数的用户反馈和产品迭代。



个人认为,从长期看,多圈磁编肯定是会有其一席之地的,毕竟,成本优势在那儿放着呢;并且,理论上讲,这种绝对值编码器的圈数量程几乎可以说是没有限制的。但前提必须是先解决好上面所说的这些问题。



而就目前看,多圈磁编或许更适合用于那些对可靠性要求不那么严苛的位置检测应用;而若需要位置反馈具备较高的动态响应特性,比较可靠的做法,或许还是使用机械齿轮式的多圈绝对值编码器。




另外,要实现多圈绝对位置反馈,其实还有一种非常简单的方法,就是在单圈绝对值编码器的机械轴输入端加装一支行星齿轮减速机,成倍提升编码器的圈数测量范围。



显然,受到机械结构的限制,这种多圈反馈方式的检测量程并不会太大;同时,以单圈位置编码覆盖较长的运动行程,其反馈精度也一定是大打折扣的。因此,比较适合那些对测量精度和行程都要求都不太高的经济型应用场合。


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