絕對(duì)值編碼器怎么判斷真假？絕對(duì)式編碼器精度及分辨率的關(guān)系解析！
目前市場(chǎng)上商家宣稱(chēng)的“絕對(duì)值多圈編碼器”，其實(shí)有多種內(nèi)部原理，其中有兩種事實(shí)上并不是完整的全行程絕對(duì)值編碼。需要了解它們使用的局限性，在哪些場(chǎng)合是不可以使用的。
有兩種不是“絕對(duì)值編碼器”，一種是有計(jì)數(shù)器+電池記憶的，另一種是有計(jì)數(shù)器+韋根脈沖微能量記憶的，這兩種編碼器出廠(chǎng)時(shí)內(nèi)部的絕對(duì)值編碼并不完整，其編碼僅僅是單圈絕對(duì)值編碼，而多圈是依賴(lài)用戶(hù)使用后計(jì)數(shù)器對(duì)圈數(shù)累加，而獲得更多的增量圈數(shù)位置編碼，并記憶保存的，那顯然是增量式原理了。
嚴(yán)肅講這種內(nèi)部有計(jì)數(shù)器+記憶的方式，是“偽絕對(duì)多圈編碼器”技術(shù)，我們也稱(chēng)之為“電子多圈”技術(shù)。這個(gè)問(wèn)題在市場(chǎng)上還有很多爭(zhēng)議，賣(mài)這些電子多圈編碼器的很多都是進(jìn)口品牌，與全行程真絕對(duì)值編碼的多圈絕對(duì)值編碼器比較，在標(biāo)識(shí)上幾乎沒(méi)有區(qū)別，混在一起銷(xiāo)售了，很多用戶(hù)由于對(duì)進(jìn)口品牌的信任，而并不清楚其中的在多圈編碼上是否絕對(duì)值編碼的“真”“偽”，而它們因其內(nèi)部原理的不同，使用的場(chǎng)合也是不相同，如果用戶(hù)不清楚而不當(dāng)使用，將會(huì)造成不必要的損失。另外，電子多圈編碼器相較于齒輪箱真絕對(duì)值多圈編碼器的成本更低，如果不加以區(qū)分不給用戶(hù)有知情權(quán)，混在一起銷(xiāo)售，那是一種不公平的不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)。
另一方面，由于電子多圈計(jì)數(shù)器加記憶型的編碼器，相較于機(jī)械齒輪箱式的真絕對(duì)值多圈編碼器而言，少了齒輪箱傳感器組，成本低，體積小，作為小型伺服電機(jī)上的編碼器應(yīng)用，仍然還是受到了不少用戶(hù)的認(rèn)可，尤其是在小型日系伺服電機(jī)幾乎都是這種電子多圈編碼器。大家也都在議論，電池記憶的與韋根脈沖微能量記憶的，究竟哪個(gè)稍好一點(diǎn)呢？
絕對(duì)值編碼的定義與意義
1.完整的全行程預(yù)先編碼的唯一性
編碼器內(nèi)部編碼已預(yù)先有大數(shù)據(jù)編碼，在整個(gè)規(guī)定的測(cè)量行程中，每一個(gè)位置是唯一性的編碼，在使用后不會(huì)再產(chǎn)生新的編碼。
2.與歷史無(wú)關(guān)
與時(shí)間軸無(wú)關(guān)，無(wú)需計(jì)數(shù)過(guò)程，任何時(shí)間讀取或者不讀取都可以根據(jù)數(shù)據(jù)下游指令，可直接一次輸出與時(shí)間軸無(wú)關(guān)的編碼大數(shù)據(jù)。
3.最大的容錯(cuò)性
無(wú)計(jì)數(shù)過(guò)程，無(wú)記憶與再讀取過(guò)程，也就是意味著無(wú)需考慮計(jì)數(shù)起始點(diǎn)、停電、以及停電后是否再有移動(dòng)，也無(wú)需擔(dān)憂(yōu)在任何時(shí)候的干擾，干擾后是否還能恢復(fù)到真實(shí)的編碼角度信息輸出——所有的編碼預(yù)先編好了，不會(huì)再產(chǎn)生新的編碼，只與編碼器轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)位置有關(guān)（與是否斷電無(wú)關(guān)），外部的干擾也無(wú)法改變?cè)季幋a值。
計(jì)數(shù)器的電子多圈編碼器技術(shù)
1.一種單圈絕對(duì)值編碼，多圈增量計(jì)數(shù)。在360度范圍內(nèi)是絕對(duì)值的，超過(guò)360度后回零，并以計(jì)數(shù)器的增減來(lái)增加多圈編碼器的編碼。也就是多圈數(shù)據(jù)原始編碼沒(méi)有，而是從寄存器里調(diào)取并在使用時(shí)通過(guò)`計(jì)數(shù)器獲得新的編碼。
2.以時(shí)鐘表盤(pán)舉例，這種電子多圈編碼器只有一根表針，當(dāng)經(jīng)過(guò)12點(diǎn)后就回零，在經(jīng)過(guò)12時(shí)，數(shù)值一下子從最大到最小，電子計(jì)數(shù)器根據(jù)前后兩次讀取的數(shù)值比較（歷史關(guān)系比較），由大突變?yōu)樾。ㄏ陆笛兀壿嬇袛嗳?shù)增加了1；數(shù)值的由小突變?yōu)榇螅ㄉ仙兀?，邏輯判斷圈?shù)減少了1。計(jì)數(shù)器寄存。
3.由于我們已經(jīng)清楚，本文題目上這兩種偽絕對(duì)值多圈屬于“電子多圈”計(jì)數(shù)器性質(zhì)，不符合上面的第1與第2條,因而不能稱(chēng)為“絕對(duì)值編碼”，我把它們稱(chēng)為“偽絕對(duì)值”。
下面我們對(duì)這兩種電子多圈技術(shù)的比較,重點(diǎn)將是在”容錯(cuò)性” 上的比較。
電池記憶電子多圈絕對(duì)值編碼器技術(shù)的原理及容錯(cuò)性
這里重點(diǎn)講講零點(diǎn)分界線(xiàn)、電池記憶技術(shù)的電源低功耗管理與電池能量計(jì)算。
1.讀數(shù)的可靠性問(wèn)題
電池記憶多圈技術(shù)主要是光學(xué)單圈絕對(duì)值碼盤(pán)，通過(guò)兩次先后的讀取，判斷是否過(guò)零點(diǎn)分界線(xiàn)。這里光學(xué)碼盤(pán)的零點(diǎn)刻線(xiàn)是穩(wěn)定的，分界線(xiàn)清晰的，關(guān)鍵是在過(guò)零點(diǎn)分界線(xiàn)前的最后一次讀數(shù)的可靠性，和過(guò)零點(diǎn)分界線(xiàn)后的第一次讀數(shù)的可靠性，依賴(lài)于這兩次讀數(shù)的邏輯關(guān)系，而判斷多圈的圈數(shù)是增還是減，或者不變。零點(diǎn)分界線(xiàn)的穩(wěn)定清晰，兩次讀取的讀數(shù)準(zhǔn)確性，成了這種計(jì)數(shù)器容錯(cuò)性的最大考量。當(dāng)突然斷電時(shí)或者有較大的干擾時(shí)，編碼器的位置正好在零點(diǎn)位置及附近時(shí)，兩次讀數(shù)比較會(huì)產(chǎn)生反向抖動(dòng)，這個(gè)問(wèn)題就會(huì)比較突出。
2.能量管理問(wèn)題
斷電后，單圈光學(xué)碼盤(pán)的讀取可靠，需要有穩(wěn)定的電池電源給光源供電，給感應(yīng)傳感器供電，而長(zhǎng)時(shí)間的斷電待機(jī)狀態(tài)下，備用電池的電能很快就會(huì)耗盡。因此，這種技術(shù)需要有低功耗電源分配管理技術(shù)，既要保證光源與傳感器的供電穩(wěn)定，又要保持電池能量節(jié)約以維持長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，往往采取一種間隙式供電策略。供電時(shí)間占空比、供電啟動(dòng)與暫停所帶來(lái)的電源波動(dòng)對(duì)光源與傳感器讀取的影響，供電工作占空比與待機(jī)時(shí)間的權(quán)衡，外部電源供電與內(nèi)部電池供電的切換時(shí)對(duì)光源與傳感器讀取的影響，等等。例如突然的斷電，或者開(kāi)機(jī)通電時(shí)的電源管理，是否會(huì)因供電的抖動(dòng)，在零點(diǎn)分界線(xiàn)附近的讀數(shù)反向抖動(dòng)，易造成過(guò)零點(diǎn)分界線(xiàn)的計(jì)圈判斷的失敗。
3.對(duì)電池能量的計(jì)算
對(duì)長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)或者電池壽命將盡時(shí)，對(duì)電池能量需作計(jì)算判斷，以報(bào)警提示需要更換電池，以及因供電能量的不足而可能讀取并計(jì)圈的失敗。
4.電池本身的問(wèn)題
在編碼器內(nèi)部的電池因容量較小，待機(jī)時(shí)間有限。而引線(xiàn)到外部的電池，容量雖然大了，但是引線(xiàn)接插件等故障可能性增加，對(duì)于抗振動(dòng)環(huán)境有影響。電池的溫度范圍——不可逆性失效與可逆性供電不穩(wěn)定。從目前的資料看，儲(chǔ)存與工作溫度不得大于100℃（不可逆失效），可逆性高低溫參數(shù)（供電不穩(wěn)定）沒(méi)有看到資料描述。
從大部分電池低溫性能較差判斷，不適于戶(hù)外場(chǎng)合。尤其是，不適于較長(zhǎng)斷電待機(jī)且戶(hù)外（無(wú)空調(diào)）的場(chǎng)合，例如水閘開(kāi)度、起重與港口機(jī)械、工程機(jī)械、風(fēng)電與太陽(yáng)能（戶(hù)外場(chǎng)合）等等，應(yīng)該避免使用。
日系編碼器廠(chǎng)家確實(shí)也說(shuō)明了，這類(lèi)編碼器適用于小型伺服電機(jī)、小型機(jī)械手臂和機(jī)器人。而沒(méi)有指明可在較大型設(shè)備上以及有高低移動(dòng)下沉、有位能變化的位置閉環(huán)場(chǎng)合下適用。
重點(diǎn)講講磁電式編碼器的零點(diǎn)位置模糊性，韋根自發(fā)電能量大小的不確定性，韋根微能量?jī)?chǔ)量的不確定性。
1.磁場(chǎng)零點(diǎn)不確定性：磁電式單圈絕對(duì)值編碼器與光學(xué)編碼器比，磁場(chǎng)零點(diǎn)位置分界線(xiàn)是模糊的，而且更糟糕的是還不穩(wěn)定。例如編碼器內(nèi)部及印制板上的電氣元器件的磁化、退磁，灰塵金屬屑的對(duì)空間電磁場(chǎng)分布的擾動(dòng)，外部電磁場(chǎng)的擾動(dòng)等，在通電狀態(tài)下，可以有四個(gè)正交的磁電感應(yīng)器做差分共模干擾消除，但是在斷電狀態(tài)下，僅依賴(lài)于2個(gè)韋根感應(yīng)器對(duì)過(guò)零點(diǎn)的感應(yīng)判斷，一旦停在磁場(chǎng)零點(diǎn)附近，磁場(chǎng)反向擾動(dòng)時(shí)過(guò)零點(diǎn)計(jì)圈的邏輯判斷在低功耗狀態(tài)下的準(zhǔn)確性令人生疑。
2.韋根自發(fā)電電流及能量的不確定性：根據(jù)能量守恒定律，停電后韋根絲發(fā)電的能量來(lái)之于編碼器轉(zhuǎn)軸的動(dòng)能，停電后轉(zhuǎn)軸速度動(dòng)能是未知的，并不確定的，長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)后計(jì)數(shù)器能量是僅僅就靠韋根自發(fā)電，還是依賴(lài)于前面存儲(chǔ)的能量，如果是存儲(chǔ)的能量能待機(jī)維持多久？這種斷電后的自發(fā)電電流與能量?jī)?chǔ)備是不確定的，韋根廠(chǎng)家沒(méi)有給答案。
3.斷電后在磁場(chǎng)零點(diǎn)附近的輕微抖動(dòng)，動(dòng)能極為有限，每次抖動(dòng)因此轉(zhuǎn)換的韋根微發(fā)電能量究竟是否能夠正好達(dá)到計(jì)數(shù)器工作？如果依賴(lài)存儲(chǔ)能量在長(zhǎng)期停電待機(jī)后，能夠保持維持多久？
4.與電池供電不同，韋根微能量是否能足夠保證正確計(jì)數(shù)，以及計(jì)數(shù)器如果有錯(cuò)如何判斷、檢出并報(bào)警？在這一點(diǎn)上韋根做得還不如電池，如果已經(jīng)是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)了，使用者卻無(wú)法知道這是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，而且因?yàn)樾麄魃纤恰皼](méi)有電池的，絕對(duì)值的”，用戶(hù)出于對(duì)絕對(duì)值編碼器的信任，會(huì)繼續(xù)使用錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，而有可能造成事故發(fā)生概率。對(duì)這樣的問(wèn)題，韋根編碼器廠(chǎng)家以模糊的“專(zhuān)利技術(shù)”搪塞，而從未做正面回答。韋根專(zhuān)利技術(shù)的哪些受保護(hù)內(nèi)容、保護(hù)期限、哪些已是公開(kāi)技術(shù)無(wú)需專(zhuān)利，均未在資料上見(jiàn)到。
5.新的據(jù)稱(chēng)EMC已經(jīng)成熟的韋根編碼器入市時(shí)間較短，數(shù)量累計(jì)還不夠多，問(wèn)題雖已有少量暴露，但還沒(méi)有引起足夠的警惕性。據(jù)市場(chǎng)未經(jīng)證實(shí)的反饋意見(jiàn)，韋根多圈編碼器在交貨時(shí)，中國(guó)市場(chǎng)上因進(jìn)口編碼器出廠(chǎng)經(jīng)運(yùn)輸及中間環(huán)節(jié)，以及中國(guó)市場(chǎng)很多項(xiàng)目周期長(zhǎng)，中間的斷電待機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，大約有不到1%左右的數(shù)量編碼器在使用時(shí)已發(fā)現(xiàn)有計(jì)圈錯(cuò)誤，而需更換。
由于有較多的未知不確定性，不建議韋根電子多圈編碼器用在對(duì)于可靠性要求高的場(chǎng)合，需要評(píng)估因數(shù)據(jù)失敗去現(xiàn)場(chǎng)檢查并更換編碼器，所帶來(lái)的損失有多大。
尤其是，不適于較長(zhǎng)斷電待機(jī)且戶(hù)外（無(wú)空調(diào)）的場(chǎng)合，例如水閘開(kāi)度、起重與港口機(jī)械、工程機(jī)械、風(fēng)電與太陽(yáng)能（戶(hù)外場(chǎng)合）等等，應(yīng)該避免使用。
令人擔(dān)憂(yōu)的是，由于韋根電子多圈編碼器沒(méi)有電池，在中國(guó)市場(chǎng)上宣傳的含糊性，常常與機(jī)械齒輪箱式的真絕對(duì)值多圈編碼器混在了一起銷(xiāo)售，而難以區(qū)分。有的商家在絕對(duì)值多圈編碼器上竟然有三種可能性難以向用戶(hù)明示區(qū)分：光學(xué)式的齒輪箱多圈絕對(duì)值編碼器（溫度范圍85度）、光學(xué)式的齒輪箱多圈編碼器（溫度范圍70度，相當(dāng)于二等品，在戶(hù)外無(wú)空調(diào)環(huán)境下不可用）、磁電式的韋根電子多圈編碼器（在有上下位能變化場(chǎng)合下不可用），這三種同時(shí)有在銷(xiāo)售，用戶(hù)在采購(gòu)時(shí)是否清楚究竟買(mǎi)的是哪一種？是否在自己使用的場(chǎng)合適用。
絕對(duì)式編碼器精度和分辨率之間的關(guān)系解析。
單圈絕對(duì)式編碼器的位數(shù)表示碼盤(pán)的碼道數(shù)。由于使用二進(jìn)制碼盤(pán)（與格雷碼相同），其精度將是2的幾倍，例如12位，即2的十二次方，即4096。編碼器的分辨率和精度不一定相同，其精度取決于各種因素，如掩模版、碼盤(pán)的機(jī)械同心度、讀取響應(yīng)速度、溫度特性等。如果編碼器通過(guò)細(xì)分掩模版的正弦波獲得高分辨率，其精度不會(huì)提高，細(xì)分只會(huì)提高分辨率。細(xì)分前后直線(xiàn)的精度取決于細(xì)分的直線(xiàn)數(shù)量。對(duì)于當(dāng)前通過(guò)SSI傳輸?shù)奈恢脭?shù)據(jù)，必須考慮以下最佳情況和最壞情況。
位置數(shù)據(jù)的輸出取決于幾個(gè)參數(shù)，例如因子、轉(zhuǎn)換時(shí)間、數(shù)據(jù)格式等。因此，處理時(shí)間將不同。使用處理器系統(tǒng)，您只能獲得平均響應(yīng)時(shí)間。如果使用500kHz的最高頻率檢索SSI信道。這意味著（脈沖時(shí)間2）μS.26位+所需的最小暫停時(shí)間40微秒）是大約100μS的最小時(shí)間。之后，系統(tǒng)需要另外400-500μS的時(shí)間用于數(shù)據(jù)更新，這樣您可以三次獲得相同的結(jié)果（位置值）！如果使用速度更快的DSP或ASIC，或者使用SIN/COSINE代碼通道應(yīng)用于電機(jī)控制的編碼器，則只能獲得更短的時(shí)間（因子10）。這種設(shè)計(jì)通常不太昂貴（提供的編碼器類(lèi)型可降低某些要求）。
帶電纜連接的增量編碼器、帶電纜連接和密封外殼的絕對(duì)式編碼器（例如并聯(lián)單回路、SSI或BiSS）。如果正確選擇了每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（PPR），則可以簡(jiǎn)化校準(zhǔn)系數(shù)。一旦選擇PPR，或者只要根據(jù)技術(shù)手冊(cè)中的公式計(jì)算PPR。選擇校準(zhǔn)常數(shù)時(shí)，請(qǐng)記住，越接近1越好。校準(zhǔn)常數(shù)的值是最佳編碼器的每個(gè)脈沖的分辨率。
