旋转编码器选择:绝对式还是增量式?

作者:Jeff Smoot 是 CUI Inc. 应用工程和运动控制部门副总裁

旋转编码器是一种经过验证的常用解决方案,适用于测量旋转轴的速度、运动方向或位置。旋转编码器分为多种不同的类型,最主要的两种类型是绝对编码器和增量编码器。它们的工作原理分别如何?有哪些区别?如何为应用选择适合的类型?

编码器工作原理

顾名思义,绝对编码器会直接输出正在测量的轴的确切位置。每个旋转点都具有唯一的位置值或数据字,并在随轴一起旋转的码盘上编码。码盘上唯一代码的数量决定了位置的表示精度。编码器一旦开启,便立即使用光学、电容式或磁性传感器读取代码,并生成有效的输出。而且,无需建立参考点或转动轴,传感器便能确定位置,并且即便编码器临时掉电,也能持续跟踪位置。

绝对编码器的码盘为每个位置提供唯一代码的示意图

图 1:绝对编码器的码盘为每个位置提供唯一代码,从而实现有效的即时输出,并确定编码器的分辨率。(图片来源:CUI, Inc.)

编码器的分辨率以位表示,对应于一圈内的唯一数据字数量。绝对编码器可分为单圈和多圈两种类型,其中单圈版本提供一整圈 (360°) 的位置数据,并且在轴的每一圈旋转中重复提供。多圈类型包含一个转数计数器,能让编码器不仅输出轴位置,还能输出圈数。

下面是增量编码器:根据轴旋转时产生的脉冲来工作。输出通常是两个相位差为 90° 的方波,并且需要额外的电路对这些脉冲进行跟踪或计数。

增量编码器产生脉冲波形的图片

图 2:增量编码器产生具有 90° 相位差的脉冲波形。(图片来源:CUI, Inc.)

增量编码器的分辨率以每转脉冲数 (PPR) 表示,相当于任一方波输出的高脉冲数。您可以阅读 CUI 关于 PPR 的博客文章,了解有关此主题的更多信息。

通过仔细观察图 2,您会发现其中只有四个不同的重复输出状态。因此,增量编码器必须以已知的固定位置为参考,才能提供有意义的位置信息。这个“起始”位置就是编码器的索引脉冲。然后通过跟踪旋转中相对索引脉冲的增量变化,来计算轴的绝对位置。每次开启编码器时,或在临时掉电之后,都必须执行此参照过程,因此轴必须处于旋转状态才能获得位置信息。这一过程获取位置信息的速度不及绝对编码器,因为后者无需初始旋转。

绝对式还是增量式:选择标准

绝对编码器比增量编码器更加复杂,因而价格通常也更昂贵。虽然两者的价格差距正逐渐缩小,但增量编码器通常更适合简单的速度、方向或相对位置监控。另一方面,在某些情况下,绝对编码器是更好的选择。

绝对编码器的主要优势是,它会维护轴的位置,因此可以即时获取位置数据,而无需等待完成起始或校准序列。这使得系统能够更快地启动,或者从电源故障中恢复,即便在编码器关闭期间轴位置已发生变化。

还有一种情况需要选择绝对编码器,即启动时,在任何机构激活或移动之前需要立即获得位置信息。例如,如果从起始位置沿错误的方向旋转轴,可能会损坏设备或对用户造成危险。

此外,由于绝对编码器能实时提供真实的位置,因此数字系统可通过中央通信总线轮询编码器,以最小的延迟捕捉位置。使用增量编码器来持续跟踪位置难度更大,因为它通常需要外部电路,使用正交解码跟踪所有脉冲,这会增加主机系统的开销,尤其在必须监控多个编码器的情况下更是如此。

绝对编码器为每个码盘位置生成唯一数码“字”的图片

图 3:绝对编码器为每个码盘位置生成唯一数码“字”,相当于我们所说的分辨率。(图片来源:CUI, Inc.)

另外一个优势是,使用绝对编码器有助于减少系统受到的电气噪声干扰。与采用脉冲计数的增量编码器不同,绝对编码器允许系统从二进制输出,或以数字方式从串行总线读取经过错误校验的代码,以便计算位置。

此外,在同一个系统中组合多个绝对编码器,也比增量编码器更简单。典型示例包括工厂自动化或多轴机器人。监控多个增量编码器的输出可能变得非常复杂,需要很高的处理能力,而从绝对编码器读取的信息更易于解释,特别是当它们连接到同一条中央通信总线时。

绝对编码器的机遇

现在,您应该大致了解了绝对编码器和增量编码器之间的主要差别。下面我们介绍一些通常使用绝对编码器的应用领域。

其中,机器人是一个快速发展的领域。它正在渗透到医疗领域的众多部门,例如远程手术需要依赖大量的精确位置信息来监视和控制手术机器人的机械臂,另外还有众多工业使用案例,如自动装配、焊接、涂料喷涂等更多。展望未来,家庭助理机器人的前景尤其令人兴奋,它将受益于绝对编码器所提供的速度和易用性。

随着企业持续寻求数字化转型,增量编码器和绝对编码器之间的价格差异日渐缩小,绝对编码器的应用几乎层出不穷。在消费市场,绝对编码器也有很多机会。无论是用于控制自动门、摄像机万向架等机构,还是用于智能 HVAC 控制、工厂自动化或电动车子系统,绝对编码器都为设备设计师提供了高性能且成本日益合理的选择。

工程师提供位置反馈的首选器件

绝对编码器增量编码器在性能、价格和用户体验方面存在差异,这意味着对于任何新产品设计而言,选择适当类型的编码器都是至关重要的。随着价格差距的缩小,技术的持续革新,绝对编码器相对于增量编码器的优势令其成为设计师在越来越多的应用领域提供位置反馈功能的首选器件。

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Jeff Smoot 是 CUI Inc. 应用工程和运动控制部门副总裁

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