多圈絕對(duì)式編碼器的應(yīng)用原理

01概述
多圈絕對(duì)式編碼器是可以實(shí)現(xiàn)大量程高精度軸角位移測(cè)量的數(shù)字測(cè)角儀器，比單圈編碼器多了一個(gè)記錄編碼器旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的記錄，可以把單圈編碼器的測(cè)量范圍擴(kuò)展幾百甚至上千倍。本文主要是研究實(shí)現(xiàn)多圈絕對(duì)式編碼器的幾種應(yīng)用原理，針對(duì)不同類型的多圈計(jì)數(shù)原理總結(jié)出各種原理的優(yōu)缺點(diǎn)。
傳統(tǒng)伺服電機(jī)所配備的增量式編碼器和單圈絕對(duì)式編碼器只能識(shí)別一圈以內(nèi)的位置信息，增量式編碼器在正常工作前還得確定參考點(diǎn)位置，這些都制約了交流伺服電機(jī)的工作效率和使用范圍。配備了可以識(shí)別旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的多圈絕對(duì)式編碼器后，新一代交流伺服電機(jī)可以克服這些限制，為工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用提供了更為廣闊和靈活的機(jī)會(huì)。在生產(chǎn)自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)器人技術(shù)中，交流伺服電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。
單圈絕對(duì)式編碼是把一圈范圍內(nèi)的每一個(gè)角度轉(zhuǎn)換成數(shù)唯一數(shù)字位置形式輸出，但隨著市場(chǎng)應(yīng)用要求的提高，單圈編碼器難以滿足日漸智能化和效率化的工業(yè)控制市場(chǎng)。比如機(jī)器人，通過(guò)機(jī)器人的減速器，伺服電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)幾十圈才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器臂的一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)器人上電后，如果控制系統(tǒng)僅能獲得單圈位置數(shù)據(jù)是不足以確定當(dāng)前關(guān)節(jié)軸的角度位置，必須要進(jìn)行回零點(diǎn)操作，機(jī)器人是安裝在生產(chǎn)線上的，這會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不安全因素。又如在機(jī)床上的伺服電機(jī)配套了多圈編碼器，在機(jī)床每次上電后，系統(tǒng)都能獲取到目前單圈值和多圈值，直接可以確定刀具目前所在位置，不需要進(jìn)行回零點(diǎn)操作即可進(jìn)入工作模式，大大提升了機(jī)床的使用效率。

02電子式多圈絕對(duì)編碼器
電子式多圈絕對(duì)編碼器是通過(guò)把多圈值數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式保存到存儲(chǔ)器中，編碼器在正常供電的時(shí)候，每當(dāng)多圈值發(fā)生的變化都需要把多圈值寫到存儲(chǔ)器中。從理論上來(lái)說(shuō)多圈值的存儲(chǔ)容量由存儲(chǔ)器的大小所決定的，也就是說(shuō)多圈值的計(jì)數(shù)量可以無(wú)限大。但是隨著多圈計(jì)數(shù)位的增加，對(duì)存儲(chǔ)器、控制器來(lái)說(shuō)都會(huì)提高它們的工作負(fù)荷，同時(shí)還會(huì)增加了輸出數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，降低了通信效率，增加數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。目前市場(chǎng)上主流的多圈絕對(duì)式編碼器通常使用 12 位（4096）多圈計(jì)數(shù)。
使用電子記憶式多圈編碼器，其多圈值發(fā)生變化時(shí)電子器件進(jìn)行存儲(chǔ)操作，但在當(dāng)主供電電源斷開后，若編碼器發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)并且產(chǎn)生多圈數(shù)據(jù)進(jìn)位或降位，電子器件將無(wú)法記憶多圈數(shù)據(jù)的變化，上電后就會(huì)讀取到錯(cuò)誤的多圈數(shù)據(jù)，所以需要在編碼器內(nèi)部或者外部添加一個(gè)電池供電電源。在主電源掉電后，主電路進(jìn)入休眠模式，光源、光電池和控制器每隔一定時(shí)間（250ms）掃描一次檢測(cè)編碼器單圈位置是否發(fā)生變化，當(dāng)單圈部分產(chǎn)生零點(diǎn)跳變時(shí)才會(huì)把新的多圈值寫進(jìn)存儲(chǔ)器。

 
電子式多圈編碼器組成框圖

由于電子式多圈編碼器在主電源斷電后需要電池供電，掉電后一般要求電池供電壽命能達(dá)到 1 年以上（實(shí)際供電時(shí)間根據(jù)掉電后主軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況及環(huán)境溫度有所有不同），這就決定了該款編碼器每隔一定時(shí)間需要對(duì)其上電進(jìn)行充電，若電池電能完全耗掉后，編碼器需要重新設(shè)定多圈零點(diǎn)，增加了后期維護(hù)難度。

03齒輪光電式多圈絕對(duì)編碼器
齒輪光電式多圈編碼器是由 1 個(gè)單圈絕對(duì)式光電編碼器和 1 個(gè)多圈計(jì)數(shù)器模塊組合而成的，多圈計(jì)數(shù)器模塊里面包含了 3 組絕對(duì)式光電編碼器，每組編碼器能輸出 4 位絕對(duì)位置值，通過(guò)串聯(lián)組合形成了 1 個(gè)12 位的多圈計(jì)數(shù)器模塊。通過(guò)單圈編碼器的齒輪轉(zhuǎn)軸與多圈計(jì)數(shù)模塊中的單圈傳動(dòng)齒輪咬合，可以讓多圈模塊與單圈編碼器同步計(jì)數(shù)。通過(guò)傳動(dòng)齒輪，每組計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)計(jì)量不同數(shù)據(jù)位的多圈數(shù)，其中每一級(jí)計(jì)數(shù)器的光電碼盤上面刻畫了 4 位的二進(jìn)制格雷碼，同時(shí)碼盤也是傳動(dòng)齒輪負(fù)責(zé)下級(jí)碼盤的傳動(dòng)。由此可見(jiàn)，計(jì)數(shù)器中的光電碼盤的制作需要滿足光源和光電池的透光率要求，同時(shí)也需要滿足齒輪傳動(dòng)的硬度要求，故通常采用光學(xué)樹脂作為計(jì)數(shù)器碼盤材料。

 
齒輪式光電多圈計(jì)數(shù)模塊

一、二、三級(jí)計(jì)數(shù)碼盤上均刻畫了 4 條碼道的格雷碼，多圈計(jì)數(shù)模塊中各碼盤之間的傳動(dòng)比關(guān)系如下：
單圈傳動(dòng)齒輪：一級(jí)計(jì)數(shù)碼盤 = 16：1；
一級(jí)計(jì)數(shù)碼盤：二級(jí)計(jì)數(shù)碼盤 = 16：1；
二級(jí)計(jì)數(shù)碼盤：三級(jí)計(jì)數(shù)碼盤 = 16：1；
各級(jí)計(jì)數(shù)碼盤之間分別通過(guò)各自的過(guò)渡齒輪達(dá)到上述傳動(dòng)比關(guān)系從而實(shí)現(xiàn)編碼器的多圈計(jì)數(shù)。編碼器上電轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，多圈計(jì)數(shù)器同時(shí)進(jìn)行多圈計(jì)數(shù)工作。當(dāng)編碼器掉電并發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，單圈主軸通過(guò)齒輪仍然帶動(dòng)多圈計(jì)數(shù)器齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，重新上電讀取多圈計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)即可以獲取到正確的多圈數(shù)據(jù)，并不需要額外添加電池供電即可實(shí)現(xiàn)不間斷多圈計(jì)數(shù)。

04齒輪霍爾式多圈編碼器
齒輪霍爾式多圈編碼器是由 1 個(gè)單圈絕對(duì)式編碼器和一個(gè)霍爾多圈計(jì)數(shù)模塊組成，霍爾多圈計(jì)數(shù)模塊是由 3～4 組霍爾計(jì)數(shù)器組成，每組霍爾計(jì)數(shù)器包含一個(gè)磁場(chǎng)方向?yàn)閺较虻募��?lì)磁體和一個(gè)輸出絕對(duì)位置值的霍爾 IC。單圈部分可以是霍爾或光電編碼器，通過(guò)金屬齒輪組傳動(dòng)把單圈零點(diǎn)的進(jìn)位或降位傳遞到多圈計(jì)數(shù)模塊。計(jì)數(shù)模塊內(nèi)部的各組齒輪可以由金屬齒輪進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，激勵(lì)磁體只需要安裝在齒輪轉(zhuǎn)軸末端即可，大大增加了齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度。
當(dāng)激勵(lì)磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾 IC 能感應(yīng)到磁場(chǎng)的磁向量并輸出分別與位置角正弦、余弦信號(hào)成比例的 Ux和 Uy 電壓信號(hào)，通過(guò) Uy 除以 Ux，則由感應(yīng)芯片自身靈敏度差異或磁場(chǎng)變化引起誤差被抵消，模擬輸出電壓代表的角度與磁體溫度和 IC 的增益靈敏度無(wú)關(guān)，即芯片輸出電壓成為感應(yīng)芯片的檢測(cè)到的場(chǎng)強(qiáng)的一元函數(shù)，代表磁體在整個(gè) 360 范圍內(nèi)的絕對(duì)機(jī)械位置。這就是霍爾（磁）編碼器的原理。
多圈計(jì)數(shù)器里面的霍爾計(jì)數(shù)器之間通過(guò) SSI 串行連接，每組霍爾計(jì)數(shù)器能生成 4～8 位絕對(duì)位置值，通過(guò) SSI 串口單圈系統(tǒng)可以獲取每組計(jì)數(shù)器當(dāng)前的位置值并進(jìn)行組合，得到當(dāng)前多圈值。單圈系統(tǒng)部分將得到的多圈值與自身的單圈數(shù)據(jù)進(jìn)行組合輸出，實(shí)現(xiàn)多圈絕對(duì)式編碼器的功能。

 
齒輪式多圈磁計(jì)數(shù)器原理和數(shù)據(jù)格式

多圈計(jì)數(shù)模塊是由各組霍爾計(jì)數(shù)聯(lián)動(dòng)組合而成的，與單圈部分的聯(lián)動(dòng)也是通過(guò)齒輪咬合，并不受電源的狀態(tài)所影響，斷電后單圈部分的轉(zhuǎn)動(dòng)仍然能帶動(dòng)多圈計(jì)數(shù)器工作，每次上電后只需要重新讀取計(jì)數(shù)器當(dāng)前的絕對(duì)位置值即可得到正確的多圈值數(shù)據(jù)，同樣實(shí)現(xiàn)不間斷多圈計(jì)數(shù)。

05總結(jié)
目前市場(chǎng)上大多工業(yè)用的多圈絕對(duì)式編碼器使用上述三款多圈計(jì)數(shù)原理，三種多圈計(jì)數(shù)原理各有優(yōu)缺點(diǎn)。電子式多圈計(jì)數(shù)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)數(shù)范圍廣、制作成本低的優(yōu)點(diǎn)，但有需要外加電池、后期維護(hù)復(fù)雜的缺點(diǎn)；齒輪式光電多圈計(jì)數(shù)器具有計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但有樹脂齒輪易損壞、制作成本高的缺點(diǎn)；齒輪式霍爾多圈計(jì)數(shù)器具有計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、可靠性高、成本要比齒輪光電式要低、后期容易維護(hù)、不需外接電池、齒輪不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，是新型多圈絕對(duì)式編碼器的理想選型。