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器，比單圈編碼器多了一個記錄編碼器旋轉圈數的記錄，可以把單圈編碼器的測量范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缺點。
傳統伺服電機所配備的增量式編碼器和單圈絕對式編碼器只能識別一圈以內的位置信息，增量式編碼器在正常工作前還得確定參考點位置，這些都制約了交流伺服電機的工作效率和使用范圍。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后，新一代交流伺服電機可以克服這些限制，為工業自動化應用提供了更為廣闊和靈活的機會。在生產自動化、運動控制、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范圍內的每一個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控制市場。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，在機器人上電后，如果控制系統僅能獲得單圈位置數據是不足以確定當前關節軸的角度位置，必須要進行回零點操作，機器人是安裝在生產線上的，這會產生嚴重的不安全因素。又如在機床上的伺服電機配套了多圈編碼器，在機床每次上電后，系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制形式保存到存儲器中，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到存儲器中。從理論上來說多圈值的存儲容量由存儲器的大小所決定的，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，對存儲器、控制器來說都會提高它們的工作負荷，同時還會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操作，但在當主供電電源斷開后，若編碼器發生轉動并且產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，上電后就會讀取到錯誤的多圈數據，所以需要在編碼器內部或者外部添加一個電池供電電源。在主電源掉電后，主電路進入休眠模式，光源、光電池和控制器每隔一定時間（250ms）掃描一次檢測編碼器單圈位置是否發生變化，當單圈部分產生零點跳變時才會把新的多圈值寫進存儲器。

 
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到 1 年以上（實際供電時間根據掉電后主軸轉動情況及環境溫度有所有不同），這就決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后，編碼器需要重新設定多圈零點，增加了后期維護難度。

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 個單圈絕對式光電編碼器和 1 個多圈計數器模塊組合而成的，多圈計數器模塊里面包含了 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12 位的多圈計數器模塊。通過單圈編碼器的齒輪轉軸與多圈計數模塊中的單圈傳動齒輪咬合，可以讓多圈模塊與單圈編碼器同步計數。通過傳動齒輪，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面刻畫了 4 位的二進制格雷碼，同時碼盤也是傳動齒輪負責下級碼盤的傳動。由此可見，計數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，同時也需要滿足齒輪傳動的硬度要求，故通常采用光學樹脂作為計數器碼盤材料。

 
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動比關系如下：
單圈傳動齒輪：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動比關系從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。當編碼器掉電并發生旋轉時，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，并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 個單圈絕對式編碼器和一個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磁場方向為徑向的激勵磁體和一個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，通過金屬齒輪組傳動把單圈零點的進位或降位傳遞到多圈計數模塊。計數模塊內部的各組齒輪可以由金屬齒輪進行聯動，激勵磁體只需要安裝在齒輪轉軸末端即可，大大增加了齒輪傳動的強度。
當激勵磁體旋轉時，霍爾 IC 能感應到磁場的磁向量并輸出分別與位置角正弦、余弦信號成比例的 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磁體溫度和 IC 的增益靈敏度無關，即芯片輸出電壓成為感應芯片的檢測到的場強的一元函數，代表磁體在整個 360 范圍內的絕對機械位置。這就是霍爾（磁）編碼器的原理。
多圈計數器里面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 串口單圈系統可以獲取每組計數器當前的位置值并進行組合，得到當前多圈值。單圈系統部分將得到的多圈值與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，與單圈部分的聯動也是通過齒輪咬合，并不受電源的狀態所影響，斷電后單圈部分的轉動仍然能帶動多圈計數器工作，每次上電后只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缺點。電子式多圈計數器具有結構簡單、計數范圍廣、制作成本低的優點，但有需要外加電池、后期維護復雜的缺點；齒輪式光電多圈計數器具有計數準確、可靠性高、維護簡單的優點，但有樹脂齒輪易損壞、制作成本高的缺點；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、后期容易維護、不需外接電池、齒輪不易損壞等優點，是新型多圈絕對式編碼器的理想選型。