何时以及如何使用多圈编码器

多圈旋转编码器是一种精密机电传感器，不仅可以测量轴在单圈（0° 至 360°）内的角度位置，还可以测量累计的完整旋转圈数。单圈编码器每转一圈都会重置输出，而多圈编码器则不同，它既能提供绝对角度位置，也能提供总旋转圈数，从而在更大的运动范围内实现精确的位置反馈。

在高级运动控制应用中，仅捕捉一个 360° 周期的轴角不足以实现可靠的系统监控。当旋转运动与线性位移、齿轮系或大型设备进行机械耦合时，跟踪总转数就变得至关重要。多圈编码器可提供连续的绝对位置数据，确保复杂机电系统的精确同步和控制，从而满足这一需求。本文将更详细讨论多圈编码器，包括其工作原理、使用场合和其他集成注意事项。

多圈编码器的功能和优势

通过监测单圈编码器何时从 359° 翻转到 0°，从而在软件中跟踪整个轴的旋转，这种方法看似可行，但却带来了严重的可靠性挑战。采样遗漏、电源中断、通信故障，甚至振动引起的噪声，都可能导致转数不同步。在 0°/360° 边界附近的快速反转往往会进一步混淆翻转检测逻辑，导致累积误差。即使进行了广泛的过滤和算法调整，基于软件的解决方案仍然容易受到精度损失的影响。

多圈绝对式编码器通过集成两个关键功能，在硬件层面解决了这些难题：单圈精细角度分辨率和用于跟踪完整轴转数的内置转数计。角度测量通常采用电容、磁或光学传感技术，而转数计则与角度数据同步更新。这种组合提供了真正的绝对多圈位置，无需依赖外部翻转逻辑即可提供稳健无误的反馈。

转数计本身可以通过多种方式实现。机械编码器采用基于齿轮的系统，磁性设计通常使用韦根丝脉冲能量来记录转数，而数字实现则依赖于持续的电力。后者通常需要精心的系统设计，以保持电源的连续性（通常是通过备用电池或软件保障措施）从而在电源中断期间保持转数记录。

如何在启动时处理多圈编码器

多圈编码器在设计上面临的一个主要挑战是管理上电复位，因为丢失存储的圈数可能会影响绝对位置数据。人们通常采用多种工程策略来缓解这一问题：

• 原点或限位开关参考 – 启动时，系统会将机构驱动至预定义的参考点，并重新初始化编码器的位置。
• 保存最后已知值 – 如果有主机控制器或非易失性存储器，系统可在关机前保存最后记录的角度和转数。重新启动后，只要轴在停机期间没有移动，就会重新应用这些值。
• 机械轴锁定 – 在计划停机或超低功率状态下，可对轴进行物理锁定以防止转动。然后，存储的编码器值在上电时会生效，从而实现无缝恢复。这种方法尤其适用于便携式或电池供电式系统。
• 系统层重新初始化 – 对于可以容忍丢失几圈的应用，系统只需在启动时使用外部传感器或安全默认状态进行重置和重新校准。这降低了复杂性，但只适用于非关键位置反馈应用。

对于那些无法接受在电源中断时丢失转数的应用，集成备用电池是最可靠的解决方案之一。这种方法无需依赖外部重新校准方法或辅助传感器，可确保编码器在短暂或长时间断电后仍能持续供电。

从功耗的角度来看，这正是技术选择变得重要的地方。电容式编码器（如 Same Sky 的 AMT 系列）的工作功耗通常仅为 ~80 mW，因此对于嵌入式和电池供电式设计而言，它们具有很高的效率。其效率最大限度地减少了对备用能源存储的消耗，无需过大的电池容量即可实现长时间支持。

相比之下，磁性编码器的功耗通常在 150 至 500 mW 之间，而光学编码器在高分辨率或基于 LED 的系统中通常需要 200 mW 至 1 W 以上。这种效率优势使得电容式编码器在功率受限的环境中极具吸引力，因为在这种环境中，每一毫瓦都至关重要。

图 1：编码器技术常见功耗。（图片来源：Same Sky）

使用多圈编码器的应用实例

以下是一些常见的实际应用场景，在这些场景中，单圈反馈是不够的，需要使用多圈编码器：

• 齿轮或皮带减速传动装置 – 当电机每转动一圈输出轴就会转动多圈时（例如，比率为 10:1），仅跟踪最终角度是不够的。系统必须考虑到所有中间圈数，以保持定位精度。
• 滚珠丝杠和引线丝杠 – 轴的每次旋转都对应一个固定的线性距离。圈数缺失会直接转化为线性位置误差，因此多圈跟踪对于精确定位至关重要。
• 齿条齿轮机构 – 通过旋转输入产生连续的线性移动。要获得准确的反馈，就必须计算每一次旋转，这样才能计算出真实的行程。
• 机器人和自动化中的旋转轴 – 关节、转塔和旋转平台转换通常都超过一圈。如果没有多圈反馈，系统就有可能在运行过程中出现运动误差甚至碰撞。

一般来说，如果应用有以下要求，运动控制系统可能就会受益于多圈编码器：

• 扩展位置跟踪 – 必须监控 360° 以外轴运动的系统。
• 旋转到线性的转换 – 每转一圈对应精确线性移动的机械传动。
• 高传动比 – 电机转数远远超过输出轴运动的齿轮或皮带传动系统。
• 需最小过滤的绝对精度 – 不能容忍软件翻转检测累积误差的应用。
• 简化启动逻辑 – 要求结构更简单、上电初始化更可靠的设计。

Same Sky 的 AMT 绝对编码器系列包括了带有 SPI 和 RS-485 数字接口的紧凑型多圈型号。它们专为嵌入式运动系统设计，具有功耗低、模块化安装灵活、通信简单等特点，是需要绝对多圈跟踪应用的理想之选。对上电复位的妥善管理可确保在整个运行周期内保持不间断的精度。

虽然具体的通信协议各不相同，但大多数通信协议都能通过少量字节或命令轻松读取角度位置和转数。Same Sky 的 AMT 编码器指令在其各自的规格书中均有说明。

结语

多圈编码器通过内部管理旋转跟踪来简化运动控制，无需复杂的翻转逻辑或大量的软件过滤。这种内置功能可确保在更大的运动范围内获得精确的位置数据，因此成为工程师开发可靠、可扩展的自动化系统不可或缺的元件。

Same Sky 的 AMT 绝对多圈编码器进一步提高了设计灵活性，支持 2 mm 至 5/8 英寸 (15.875 mm) 的电机轴直径。这种宽松的机械兼容性允许将其集成到各种电机平台中，无需额外定制即可提供强大的位置感应功能。