由Servotronix開發(fā)的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器sensAR，以更加緊湊和堅(jiān)固耐用的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)絕對(duì)編碼器所具有的高分辨率和精度(圖1)。該款編碼器的優(yōu)勢(shì)來自于其非周期性圖案布局，以及一種專利的信號(hào)評(píng)估方法，可以從單個(gè)圓形軌道生成格雷碼以及高分辨率絕對(duì)位置。
圖1 sensAR以更加緊湊和堅(jiān)固耐用的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)絕對(duì)編碼器所具有的高分辨率和精度
光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器
常規(guī)的增量編碼器利用具有一條或兩條同心軌道的光盤。每條軌道由透光或不透光的等距窗口所構(gòu)成。通過光盤的光束將會(huì)由一個(gè)光學(xué)傳感器加以檢測(cè)，并隨著光盤的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出等間隔的脈沖。在雙軌道布局當(dāng)中，每條軌道將會(huì)配有一對(duì)光發(fā)射檢測(cè)器;這兩個(gè)傳感器將會(huì)生成兩個(gè)具有相位差的正弦模擬信號(hào)。在單軌道結(jié)構(gòu)當(dāng)中，也會(huì)類似地由具有1/4圈偏置的兩個(gè)傳感器產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)。隨后這些模擬信號(hào)將會(huì)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(方波)，其中一個(gè)通道的信號(hào)將會(huì)領(lǐng)先另外一個(gè)通道的信號(hào)90度。通過對(duì)兩條輸出通道的相位差進(jìn)行監(jiān)測(cè)，就可以確定旋轉(zhuǎn)方向。
光學(xué)編碼器通常具有一個(gè)包含著一定數(shù)量(n)周期分段的增量圖案，周期分段窗口的數(shù)量介于250 個(gè)到幾千個(gè)，并圍繞光盤等距離分割。因而，每一圈的信號(hào)數(shù)字化過程可以生成4xn個(gè)結(jié)果。兩個(gè)信號(hào)的模擬數(shù)值將被用來計(jì)算在一個(gè)增量圖案周期當(dāng)中的精確位置，從而獲得具有高分辨率的增量位置。然而，如果要獲得在某一圈當(dāng)中的絕對(duì)位置，起始位置必須已知。
為了確定絕對(duì)位置，旋轉(zhuǎn)編碼器光盤上包括一條具有二進(jìn)制編碼模式的附加絕對(duì)軌道。根據(jù)圖案設(shè)計(jì)，絕對(duì)軌道由不同長(zhǎng)度的分段所構(gòu)成。每個(gè)分段是分度的倍數(shù)，而分度由分辨率所決定。
絕對(duì)軌道的分辨率必須與增量軌道具有同樣高的分辨率。因此，絕對(duì)圖案每個(gè)分度的長(zhǎng)度與增量圖案的周期分段(刻度)的長(zhǎng)度相等。
為了對(duì)絕對(duì)軌道進(jìn)行閱讀，需要使用多個(gè)傳感器對(duì)圖案上的連續(xù)分度進(jìn)行讀取。相鄰傳感器之間的距離必須與絕對(duì)軌道的分度或者增量軌道的刻度相等。由于這種傳感器的尺寸必須足夠小，因此通常是在一片針對(duì)特定應(yīng)用的半導(dǎo)體芯片上，將定制設(shè)計(jì)的微型光學(xué)傳感器封裝成一個(gè)傳感器陣列。
從傳感器陣列產(chǎn)生的數(shù)字化輸出信號(hào)將會(huì)提供一個(gè)格雷碼。這是一種二進(jìn)制編碼，兩個(gè)相鄰數(shù)值的編碼僅有一位不同。由于連續(xù)增量位置編碼僅有一位二進(jìn)制數(shù)字差別，因而格雷編碼可以防止位置過渡時(shí)引入錯(cuò)誤代碼。
磁性旋轉(zhuǎn)編碼器
與增量編碼器具有相同原理的磁性編碼器，具有比光學(xué)編碼器更加穩(wěn)健的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)樗鼘?duì)于沖擊、振動(dòng)和污染較不敏感。此外，它也更加耐用，因?yàn)榘l(fā)光二極管不會(huì)發(fā)生退化。
然而，由于隨著與磁體表面距離的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度將會(huì)快速降低，因此這種圖案的周期分段數(shù)量?jī)H有數(shù)十個(gè)。此外，如果刻度非常小，那么磁性傳感器必須與磁體表面非常靠近，以便對(duì)不同的位置過渡加以感測(cè)。磁性傳感器通常是通過以更高分辨率進(jìn)行模擬處理，來對(duì)數(shù)量較少的周期分段加以補(bǔ)償。這導(dǎo)致了對(duì)電噪聲更高的敏感性。此外，單個(gè)分段中的信號(hào)精確性較低，從而使得磁性編碼器的總體精度不如光學(xué)編碼器高。
光學(xué)和磁性編碼器都有一些缺點(diǎn)。 它們都需要至少兩條軌道以及一個(gè)傳感器陣列來確定旋轉(zhuǎn)圓盤的絕對(duì)位置。特別是對(duì)于磁性編碼器來說，在一個(gè)編碼器圓盤上安排兩條同心磁軌非常困難。對(duì)于光學(xué)和磁性絕對(duì)編碼器來說，位置檢測(cè)的可靠性大多依賴于投射到傳感器陣列上的代碼精度。
由于代碼軌道具有較小的尺寸公差，因此絕對(duì)編碼器圓盤必須以極高的精度加以生產(chǎn)，其尺寸只能在可行的范圍內(nèi)保持到最小。這就是為什么絕對(duì)編碼器通常只有256個(gè)分段，而同等尺寸的增量編碼器通常具有1024個(gè)增量分段。
圖2 機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單
一款新設(shè)計(jì)的磁性旋轉(zhuǎn)編碼器
Servotronix開發(fā)的新型磁性絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器克服了傳統(tǒng)絕對(duì)編碼器的許多缺點(diǎn)。在編碼器圓盤的外沿，在單條圓形軌道上布置多個(gè)具有不同尺寸的永磁體，從而構(gòu)成一個(gè)非周期性磁代碼軌道。磁性(霍爾)傳感器被固定在編碼器的固定部分，并使它們保持等距離間隔。它們將以同心圓方式加以布置，并靠近磁代碼軌道。Servotronix的設(shè)計(jì)采用了一種專利算法，可以通過一條磁性代碼軌道的非周期性圖案，用給定數(shù)量的傳感器，對(duì)最大數(shù)量的位置生成格雷碼。
此外，傳感器的模擬輸出信號(hào)可以直接提供一個(gè)高分辨率的絕對(duì)位置，而無需額外的增量讀數(shù)。傳感器可以生成與對(duì)面磁體所產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的電信號(hào)。這些模擬信號(hào)將會(huì)首先通過與閾值進(jìn)行比較來加以數(shù)字化，從而生成一個(gè)格雷碼。該格雷碼將以較低的分辨率對(duì)某個(gè)絕對(duì)位置加以描述。例如，7個(gè)傳感器加上7個(gè)磁體這樣一種配置，將可以為98個(gè)位置創(chuàng)建出識(shí)別格雷碼。
為了實(shí)現(xiàn)更高的絕對(duì)分辨率，可以使用另外一個(gè)信號(hào)評(píng)估專利方法。在該種方法當(dāng)中，兩個(gè)模擬信號(hào)將按照預(yù)定的信號(hào)表與每個(gè)格雷碼相互關(guān)聯(lián)。圓盤的絕對(duì)位置將按照預(yù)先記錄的模擬信號(hào)位置表，與閾值最為接近的相關(guān)位置數(shù)值相對(duì)應(yīng)。
在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，Servotronix技術(shù)可以使用一個(gè)12比特A/D轉(zhuǎn)換器與7個(gè)傳感器的配置，實(shí)現(xiàn)20?bits的分辨率。
sensARTM旋轉(zhuǎn)編碼器系列
Servotronix最近將該款新編碼器加入其sensAR旋轉(zhuǎn)編碼器系列。該系列當(dāng)中的首款磁性絕對(duì)編碼器可以提供20?bit的分辨率以及±0.02°(±72'')的精度，并首先提供36?mm直徑以及28?mm高度的產(chǎn)品規(guī)格。
簡(jiǎn)單性是該款新編碼器的主要優(yōu)點(diǎn)。它通過一條單軌道生成格雷碼，而非像其他絕對(duì)編碼器那樣需要至少兩條軌道以及一個(gè)定制設(shè)計(jì)的傳感器陣列。高分辨率通過一種專利的信號(hào)評(píng)估技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，而非像其他類型的絕對(duì)編碼器那樣通常需使用高分辨率增量讀數(shù)，從而造成這些設(shè)備尺寸更大和更加復(fù)雜。此外，該款新編碼器的機(jī)械設(shè)計(jì)利用了現(xiàn)成的霍爾傳感器，并且不需要定制的微型傳感器陣列，因而是一款具有高成本效益的編碼器。
磁性技術(shù)與簡(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)計(jì)相結(jié)合，使得sensAR傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固耐用(圖2)。由于僅有少量的機(jī)械部件，并且不包含光學(xué)器件，因此sensAR編碼器對(duì)于污染較不敏感，并且可以在不潔、多塵或潮濕的環(huán)境下工作，工作溫度范圍：-20℃～115℃。此外，這款編碼器還可以容納一定的機(jī)械公差，電機(jī)軸的容許軸向和徑向運(yùn)動(dòng)公差分別為±0.3?mm和±0.025?mm。此外，由于消除了光學(xué)器件和軸承，因此該款編碼器具有極高的耐久性，并且無需任何維護(hù)。即使在高達(dá)10 000?rpm的轉(zhuǎn)速以及100 000?rad/s2的角加速度下，sensAR仍然可以保持長(zhǎng)使用壽命。
sensAR編碼器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，因而對(duì)于暴露在嚴(yán)重沖擊環(huán)境下的電機(jī)反饋應(yīng)用，例如采礦、鋼鐵、水泥以及造紙行業(yè)當(dāng)中所發(fā)生的緊急制動(dòng)或高振動(dòng)環(huán)境，該款編碼器特別可靠。
