В данной статье систематически излагаются классификация и технические принципы абсолютных энкодеров, с акцентом на анализ схем реализации однооборотных и многооборотных решений на основе микросхем магнитных энкодеров. Подробно обсуждаются преимущества и недостатки различных многооборотных технологий, таких как механическая шестерня, счетчик импульсов с резервной батареей и безбатарейные схемы с эффектом Виганда (энергетический сбор), для различных требований к точности и сценариев применения. Представлены соответствующие решения OTV на основе микросхем магнитных энкодеров для помощи инженерам в выборе компонентов.
I. Обзор и классификация абсолютных энкодеров
Абсолютный энкодер — это датчик, который непосредственно выдает информацию об угловом положении вала. Его ключевыми особенностями являются уникальность положения и функция памяти при отключении питания. Даже если вал продолжает вращаться после отключения питания системы, энкодер может немедленно предоставить информацию о текущем абсолютном положении при повторном включении питания без необходимости операции поиска нуля, что значительно повышает надежность и эффективность системы.
В зависимости от диапазона измерений абсолютные энкодеры в основном делятся на две категории:
- Однооборотный абсолютный энкодер: Его диапазон измерений ограничен одним оборотом вала (0-360°). В этом диапазоне любое положение соответствует уникальному абсолютному кодовому значению. Он позволяет установить нулевую точку в любом положении или установить текущее положение в любое значение, что обеспечивает высокую гибкость.
- Многооборотный абсолютный энкодер: На основе однооборотного кодирования добавляется возможность записи количества оборотов. Его выходное значение состоит из двух частей: «количество оборотов» и «угол within оборота», которые вместе образуют глобально уникальное абсолютное значение положения. Это означает, что он может обеспечивать обратную связь по абсолютному положению в большем механическом диапазоне, являясь необходимым выбором для применений с длинным ходом и высокими требованиями к надежности.
В настоящее время энкодеры широко используют цифровые интерфейсы для связи, такие как Modbus RTU, CAN/CANopen, SSI, BISS, протокол Тамагава и т.д. Они также поддерживают инкрементальные или аналоговые методы вывода, такие как ABZ, ШИМ (PWM), аналоговое напряжение/ток.
II. Решения на основе магнитных энкодеров для однооборотных абсолютных энкодеров
По сравнению с традиционными оптическими энкодерами магнитные энкодеры имеют inherent преимущества, такие как устойчивость к загрязнению, виброустойчивость и более низкая стоимость. Схема реализации однооборотного магнитного энкодера проста по структуре и состоит в основном из радиально намагниченного магнита и микросхемы магнитного энкодера.
Для удовлетворения различных потребностей в точности OTV предлагает зрелые решения на основе микросхем:
- Экономически эффективное решение (Сценарии со средней и низкой точностью):
- Рекомендуемая микросхема: Серия OTV78
- Эта серия представляет собой микросхему магнитного энкодера с нелинейной автоматической калибровкой. Благодаря excellent возможностям автоматической калибровки и нелинейной компенсации, она может гибко работать со сложными требованиями промышленной среды, такими как широкие диапазоны магнитного поля и неоднородные магнитные поля. Она полностью подходит для cost-sensitive применений, требующих надежного вывода абсолютного значения.
- Высокопроизводительное решение (Сценарии с высокой точностью):
- Рекомендуемая микросхема: Серия OTV59
- Эта серия представляет собой высокоскоростную микросхему магнитного энкодера с высоким разрешением, разработанную для максимальной точности и динамического отклика. Ее угловое разрешение субдискретизации на одну пару полюсов достигает 24 бит, и она интегрирует двойные 16-битные SAR АЦП 2MSPS, обеспечивая мощную аппаратную поддержку для сложной обработки сигналов, легко удовлетворяя требованиям applications для сверхвысокой точности 17 бит и выше.
III. Технические пути и магнитные решения для многооборотных абсолютных энкодеров
Техническая суть многооборотных энкодеров заключается в том, как надежно записывать и хранить информацию о количестве оборотов. В настоящее время существуют три основные схемы:
- Схема многооборотности с механической шестерней (Чисто механическая):
- Принцип: Эта схема использует набор прецизионных редукторных шестерен для преобразования множественных вращений главного вала в меньшее количество вращений ведомого вала. Каждая шестерня оснащена магнитом и микросхемой магнитного энкодера. Путем обнаружения абсолютного положения каждой ступени шестерен общее количество оборотов рассчитывается через механическое передаточное отношение. Его суть заключается в использовании механического положения для определения кода, где каждое положение уникально и не требует памяти при отключении питания.
- Характеристики:
- Преимущества: Полностью независима от любого источника питания, чрезвычайно высокая надежность, длительный срок службы.
- Недостатки: Сложная структура, высокая стоимость, возможность механического износа и наличие ограничения на максимальное количество оборотов (обычно от 4096 до 65536 оборотов).
- Решение OTV: Может предоставить микросхемы серий OTV78 или OTV59 для магнитного кодирования каждой ступени шестерни для достижения высокоточной detection положения.
- Схема счета импульсов с резервной батареей (Электронная):
- Принцип: Эта схема по существу представляет собой «однооборотную абсолютную систему + электронный счетчик оборотов». Основой по-прежнему является однооборотная абсолютная система, с добавлением маломощного TMR магнитного переключателя для обнаружения точки перехода через ноль (или определенной точки) каждого оборота и генерации импульса. Встроенный микроконтроллер (МК) и резервная батарея подсчитывают и сохраняют эти импульсы для записи количества оборотов.
- Характеристики:
- Преимущества: Теоретически неограниченное количество оборотов (ограничено только разрядностью счетчика), относительно простая структура.
- Недостатки: Зависит от батареи для сохранения информации об оборотах; батарея имеет ограниченный срок службы (обычно 5-10 лет), требует периодической замены и непригодна для безобслуживаемых applications.
- Решение OTV: Может быть реализована с использованием комбинации серии OTV78 (для однооборотного detection) + серии OTV90 (микросхема TMR переключателя с near-zero功耗 (почти нулевым энергопотреблением)). Сверхнизкое энергопотребление TMR переключателей серии OTV90 может significantly продлить срок службы батареи.
- Безбатарейная схема многооборотности со сбором энергии (напр., эффект Виганда):
- Принцип: Это innovative безбатарейное решение. Оно интегрирует миниатюрный генератор сбора энергии внутри. При вращении вала энкодера генерируются крошечныеamounts электроэнергии за счет электромагнитной индукции или пьезоэлектрического эффекта. Эта энергия используется для запуска внутреннего счетчика оборотов и записи последних данных о количестве оборотов в энергонезависимую память (NVM, такую как FRAM) для хранения.
- Характеристики:
- Преимущества: Полностью без батареи, не требует обслуживания, сочетает в себе безопасность при отключении питания механических многооборотных энкодеров с высокой точностью электронных типов.
- Недостатки: Технологически сложная, наивысшая стоимость, обычно требует определенной скорости вращения для генерации достаточной энергии для записи.
- Решение OTV: Может предоставить высокоточные микросхемы серии OTV59 для части однооборотного абсолютного detection в этой системе.
Резюме
Технология магнитного кодирования играет все более важную роль в области абсолютных энкодеров. Решения для однооборотных абсолютных энкодеров очень зрелы, и инженеры могут гибко выбирать между сериями OTV78 и OTV59 в зависимости от требований к точности. Для многооборотных энкодеров три схемы各有千秋 (имеют свои достоинства):
- Для достижения максимальной надежности и безобслуживаемой работы можно выбрать механическую шестеренчатую схему.
- Для достижения высокой экономической эффективности и очень большого количества оборотов и принятия замены батареи можно выбрать схему счета импульсов с батарейным питанием (OTV78 + OTV90).
- Для следования будущим тенденциям и безбатарейному обслуживанию можно выбрать схему сбора энергии (например, Виганда), paired с высокопроизводительной микросхемой OTV59 для обеспечения однооборотной точности.
OTV предоставляет гибкие и надежные основные варианты для различных конструкций абсолютных энкодеров благодаря своему полному ассортименту микросхем магнитных энкодеров и решений на датчиках TMR, поддерживая разработку высококлассных applications, таких как промышленная автоматизация, робототехника, аэрокосмическая отрасль и др.
