由Servotronix開發(fā)的絕對旋轉(zhuǎn)編碼器sensAR，以更加緊湊和堅固耐用的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了光學(xué)絕對編碼器所具有的高分辨率和精度(圖1)。該款編碼器的優(yōu)勢來自于其非周期性圖案布局，以及一種專利的信號評估方法，可以從單個圓形軌道生成格雷碼以及高分辨率絕對位置。
圖1 sensAR以更加緊湊和堅固耐用的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了光學(xué)絕對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由一個光學(xué)傳感器加以檢測，并隨著光盤的轉(zhuǎn)動輸出等間隔的脈沖。在雙軌道布局當(dāng)中，每條軌道將會配有一對光發(fā)射檢測器;這兩個傳感器將會生成兩個具有相位差的正弦模擬信號。在單軌道結(jié)構(gòu)當(dāng)中，也會類似地由具有1/4圈偏置的兩個傳感器產(chǎn)生兩個信號。隨后這些模擬信號將會被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(方波)，其中一個通道的信號將會領(lǐng)先另外一個通道的信號90度。通過對兩條輸出通道的相位差進(jìn)行監(jiān)測，就可以確定旋轉(zhuǎn)方向。
光學(xué)編碼器通常具有一個包含著一定數(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 個到幾千個，并圍繞光盤等距離分割。因而，每一圈的信號數(shù)字化過程可以生成4xn個結(jié)果。兩個信號的模擬數(shù)值將被用來計算在一個增量圖案周期當(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)中的絕對位置，起始位置必須已知。
為了確定絕對位置，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軌道。根據(jù)圖案設(shè)計，絕對軌道由不同長度的分段所構(gòu)成。每個分段是分度的倍數(shù)，而分度由分辨率所決定。
絕對軌道的分辨率必須與增量軌道具有同樣高的分辨率。因此，絕對圖案每個分度的長度與增量圖案的周期分段(刻度)的長度相等。
為了對絕對軌道進(jìn)行閱讀，需要使用多個傳感器對圖案上的連續(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特定應(yīng)用的半導(dǎo)體芯片上，將定制設(shè)計的微型光學(xué)傳感器封裝成一個傳感器陣列。
從傳感器陣列產(chǎn)生的數(shù)字化輸出信號將會提供一個格雷碼。這是一種二進(jìn)制編碼，兩個相鄰數(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引入錯誤代碼。
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，這是因為它對于沖擊、振動和污染較不敏感。此外，它也更加耐用，因為發(fā)光二極管不會發(fā)生退化。
然而，由于隨著與磁體表面距離的增加，磁場強度將會快速降低，因此這種圖案的周期分段數(shù)量僅有數(shù)十個。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，以便對不同的位置過渡加以感測。磁性傳感器通常是通過以更高分辨率進(jìn)行模擬處理，來對數(shù)量較少的周期分段加以補償。這導(dǎo)致了對電噪聲更高的敏感性。此外，單個分段中的信號精確性較低，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。 它們都需要至少兩條軌道以及一個傳感器陣列來確定旋轉(zhuǎn)圓盤的絕對位置。特別是對于磁性編碼器來說，在一個編碼器圓盤上安排兩條同心磁軌非常困難。對于光學(xué)和磁性絕對編碼器來說，位置檢測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。這就是為什么絕對編碼器通常只有256個分段，而同等尺寸的增量編碼器通常具有1024個增量分段。
圖2 機(jī)械設(shè)計簡單
一款新設(shè)計的磁性旋轉(zhuǎn)編碼器
Servotronix開發(fā)的新型磁性絕對旋轉(zhuǎn)編碼器克服了傳統(tǒng)絕對編碼器的許多缺點。在編碼器圓盤的外沿，在單條圓形軌道上布置多個具有不同尺寸的永磁體，從而構(gòu)成一個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可以直接提供一個高分辨率的絕對位置，而無需額外的增量讀數(shù)。傳感器可以生成與對面磁體所產(chǎn)生磁場強度成正比的電信號。這些模擬信號將會首先通過與閾值進(jìn)行比較來加以數(shù)字化，從而生成一個格雷碼。該格雷碼將以較低的分辨率對某個絕對位置加以描述。例如，7個傳感器加上7個磁體這樣一種配置，將可以為98個位置創(chuàng)建出識別格雷碼。
為了實現(xiàn)更高的絕對分辨率，可以使用另外一個信號評估專利方法。在該種方法當(dāng)中，兩個模擬信號將按照預(yù)定的信號表與每個格雷碼相互關(guān)聯(lián)。圓盤的絕對位置將按照預(yù)先記錄的模擬信號位置表，與閾值最為接近的相關(guān)位置數(shù)值相對應(yīng)。
在實際應(yīng)用當(dāng)中，Servotronix技術(shù)可以使用一個12比特A/D轉(zhuǎn)換器與7個傳感器的配置，實現(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。
簡單性是該款新編碼器的主要優(yōu)點。它通過一條單軌道生成格雷碼，而非像其他絕對編碼器那樣需要至少兩條軌道以及一個定制設(shè)計的傳感器陣列。高分辨率通過一種專利的信號評估技術(shù)得以實現(xiàn)，而非像其他類型的絕對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)與簡單的機(jī)械設(shè)計相結(jié)合，使得sensAR傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，堅固耐用(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動公差分別為±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仍然可以保持長使用壽命。
sensAR編碼器結(jié)構(gòu)堅固，因而對于暴露在嚴(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)生的緊急制動或高振動環(huán)境，該款編碼器特別可靠。
