多圈絕對式編碼器的應用原理

01概述
多圈絕對式編碼器是可以實現大量程高精度軸角位移測量的數字測角儀(yi) 器，比單圈編碼器多了一個(ge) 記錄編碼器旋轉圈數的記錄，可以把單圈編碼器的測量範圍擴展幾百甚至上千倍。本文主要是研究實現多圈絕對式編碼器的幾種應用原理，針對不同類型的多圈計數原理總結出各種原理的優(you) 缺點。
傳(chuan) 統伺服電機所配備的增量式編碼器和單圈絕對式編碼器隻能識別一圈以內(nei) 的位置信息，增量式編碼器在正常工作前還得確定參考點位置，這些都製約了交流伺服電機的工作效率和使用範圍。配備了可以識別旋轉角度和轉動圈數的多圈絕對式編碼器後，新一代交流伺服電機可以克服這些限製，為(wei) 工業(ye) 自動化應用提供了更為(wei) 廣闊和靈活的機會(hui) 。在生產(chan) 自動化、運動控製、執行機構、機器人技術中，交流伺服電機得到了廣泛的應用。
單圈絕對式編碼是把一圈範圍內(nei) 的每一個(ge) 角度轉換成數唯一數字位置形式輸出，但隨著市場應用要求的提高，單圈編碼器難以滿足日漸智能化和效率化的工業(ye) 控製市場。比如機器人，通過機器人的減速器，伺服電機需要轉動幾十圈才能實現機器臂的一定角度轉動，在機器人上電後，如果控製係統僅(jin) 能獲得單圈位置數據是不足以確定當前關(guan) 節軸的角度位置，必須要進行回零點操作，機器人是安裝在生產(chan) 線上的，這會(hui) 產(chan) 生嚴(yan) 重的不安全因素。又如在機床上的伺服電機配套了多圈編碼器，在機床每次上電後，係統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，不需要進行回零點操作即可進入工作模式，大大提升了機床的使用效率。

02電子式多圈絕對編碼器
電子式多圈絕對編碼器是通過把多圈值數據以二進製形式保存到存儲(chu) 器中，編碼器在正常供電的時候，每當多圈值發生的變化都需要把多圈值寫(xie) 到存儲(chu) 器中。從(cong) 理論上來說多圈值的存儲(chu) 容量由存儲(chu) 器的大小所決(jue) 定的，也就是說多圈值的計數量可以無限大。但是隨著多圈計數位的增加，對存儲(chu) 器、控製器來說都會(hui) 提高它們(men) 的工作負荷，同時還會(hui) 增加了輸出數據幀的長度，降低了通信效率，增加數據錯誤的風險。目前市場上主流的多圈絕對式編碼器通常使用 12 位（4096）多圈計數。
使用電子記憶式多圈編碼器，其多圈值發生變化時電子器件進行存儲(chu) 操作，但在當主供電電源斷開後，若編碼器發生轉動並且產(chan) 生多圈數據進位或降位，電子器件將無法記憶多圈數據的變化，上電後就會(hui) 讀取到錯誤的多圈數據，所以需要在編碼器內(nei) 部或者外部添加一個(ge) 電池供電電源。在主電源掉電後，主電路進入休眠模式，光源、光電池和控製器每隔一定時間（250ms）掃描一次檢測編碼器單圈位置是否發生變化，當單圈部分產(chan) 生零點跳變時才會(hui) 把新的多圈值寫(xie) 進存儲(chu) 器。

 
電子式多圈編碼器組成框圖

由於(yu) 電子式多圈編碼器在主電源斷電後需要電池供電，掉電後一般要求電池供電壽命能達到 1 年以上（實際供電時間根據掉電後主軸轉動情況及環境溫度有所有不同），這就決(jue) 定了該款編碼器每隔一定時間需要對其上電進行充電，若電池電能完全耗掉後，編碼器需要重新設定多圈零點，增加了後期維護難度。

03齒輪光電式多圈絕對編碼器
齒輪光電式多圈編碼器是由 1 個(ge) 單圈絕對式光電編碼器和 1 個(ge) 多圈計數器模塊組合而成的，多圈計數器模塊裏麵包含了 3 組絕對式光電編碼器，每組編碼器能輸出 4 位絕對位置值，通過串聯組合形成了 1 個(ge) 12 位的多圈計數器模塊。通過單圈編碼器的齒輪轉軸與(yu) 多圈計數模塊中的單圈傳(chuan) 動齒輪咬合，可以讓多圈模塊與(yu) 單圈編碼器同步計數。通過傳(chuan) 動齒輪，每組計數器負責計量不同數據位的多圈數，其中每一級計數器的光電碼盤上麵刻畫了 4 位的二進製格雷碼，同時碼盤也是傳(chuan) 動齒輪負責下級碼盤的傳(chuan) 動。由此可見，計數器中的光電碼盤的製作需要滿足光源和光電池的透光率要求，同時也需要滿足齒輪傳(chuan) 動的硬度要求，故通常采用光學樹脂作為(wei) 計數器碼盤材料。

 
齒輪式光電多圈計數模塊

一、二、三級計數碼盤上均刻畫了 4 條碼道的格雷碼，多圈計數模塊中各碼盤之間的傳(chuan) 動比關(guan) 係如下：
單圈傳(chuan) 動齒輪：一級計數碼盤 = 16：1；
一級計數碼盤：二級計數碼盤 = 16：1；
二級計數碼盤：三級計數碼盤 = 16：1；
各級計數碼盤之間分別通過各自的過渡齒輪達到上述傳(chuan) 動比關(guan) 係從(cong) 而實現編碼器的多圈計數。編碼器上電轉動時，多圈計數器同時進行多圈計數工作。當編碼器掉電並發生旋轉時，單圈主軸通過齒輪仍然帶動多圈計數器齒輪轉動，重新上電讀取多圈計數器數據即可以獲取到正確的多圈數據，並不需要額外添加電池供電即可實現不間斷多圈計數。

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(ge) 單圈絕對式編碼器和一個(ge) 霍爾多圈計數模塊組成，霍爾多圈計數模塊是由 3～4 組霍爾計數器組成，每組霍爾計數器包含一個(ge) 磁場方向為(wei) 徑向的激勵磁體(ti) 和一個(ge) 輸出絕對位置值的霍爾 IC。單圈部分可以是霍爾或光電編碼器，通過金屬齒輪組傳(chuan) 動把單圈零點的進位或降位傳(chuan) 遞到多圈計數模塊。計數模塊內(nei) 部的各組齒輪可以由金屬齒輪進行聯動，激勵磁體(ti) 隻需要安裝在齒輪轉軸末端即可，大大增加了齒輪傳(chuan) 動的強度。
當激勵磁體(ti) 旋轉時，霍爾 IC 能感應到磁場的磁向量並輸出分別與(yu) 位置角正弦、餘(yu) 弦信號成比例的 Ux和 Uy 電壓信號，通過 Uy 除以 Ux，則由感應芯片自身靈敏度差異或磁場變化引起誤差被抵消，模擬輸出電壓代表的角度與(yu) 磁體(ti) 溫度和 IC 的增益靈敏度無關(guan) ，即芯片輸出電壓成為(wei) 感應芯片的檢測到的場強的一元函數，代表磁體(ti) 在整個(ge) 360 範圍內(nei) 的絕對機械位置。這就是霍爾（磁）編碼器的原理。
多圈計數器裏麵的霍爾計數器之間通過 SSI 串行連接，每組霍爾計數器能生成 4～8 位絕對位置值，通過 SSI 串口單圈係統可以獲取每組計數器當前的位置值並進行組合，得到當前多圈值。單圈係統部分將得到的多圈值與(yu) 自身的單圈數據進行組合輸出，實現多圈絕對式編碼器的功能。

 
齒輪式多圈磁計數器原理和數據格式

多圈計數模塊是由各組霍爾計數聯動組合而成的，與(yu) 單圈部分的聯動也是通過齒輪咬合，並不受電源的狀態所影響，斷電後單圈部分的轉動仍然能帶動多圈計數器工作，每次上電後隻需要重新讀取計數器當前的絕對位置值即可得到正確的多圈值數據，同樣實現不間斷多圈計數。

05總結
目前市場上大多工業(ye) 用的多圈絕對式編碼器使用上述三款多圈計數原理，三種多圈計數原理各有優(you) 缺點。電子式多圈計數器具有結構簡單、計數範圍廣、製作成本低的優(you) 點，但有需要外加電池、後期維護複雜的缺點；齒輪式光電多圈計數器具有計數準確、可靠性高、維護簡單的優(you) 點，但有樹脂齒輪易損壞、製作成本高的缺點；齒輪式霍爾多圈計數器具有計數準確、可靠性高、成本要比齒輪光電式要低、後期容易維護、不需外接電池、齒輪不易損壞等優(you) 點，是新型多圈絕對式編碼器的理想選型。