重新发明绝对旋转编码器

一种新的磁性绝对旋转编码器设计实现了光学绝对编码器的高分辨率和精度，更紧凑，坚固，耐用的产品。编码器的强度源于非周期模式和信号评估的专利方法，从一个圆形轨道生成灰色代码和高分辨率绝对位置。

[注:灰色码，反射二进制码，是两个连续值相差1位的地方;以弗兰克·格雷命名。]

光学旋转编码器

传统的增量编码器使用具有一个或两个同心轨道的磁盘。每个轨道都是一种等距增量的模式，这些增量要么透明要么不透明。一束穿过圆盘的光被光学传感器探测到，当圆盘旋转时，传感器会输出等间隔的脉冲。在双轨布置中，如图1所示，每个轨道都装有一个发光体探测器对;两个传感器产生两个相位差的正弦模拟信号。在单轨安排中，两个信号类似地由位于四分之一周期偏移的两个传感器产生。这些模拟信号然后转换为数字信号(方波)，其中一个通道引导另一个90电度。通过监测两个输出通道的相位差，可以确定旋转方向。

光学编码器通常有一个增量模式，包含一个周期部分的数量(n)，范围从250到几千，在磁盘周围均匀分布。信号数字化过程产生4xn计数每转。使用两个信号的模拟值来计算增量模式的一个周期内的精确位置，从而实现具有高分辨率的增量位置。然而，要在一个回合内获得绝对位置，必须知道起始位置。

为了确定绝对位置，旋转编码器的磁盘包括具有二进制编码模式的额外绝对轨道;图2显示了一个例子。绝对轨道由不同长度的段组成，根据图案设计。每一段都是除法步骤的倍数，除法步骤由分辨率定义。

绝对轨道的分辨率必须和增量轨道的分辨率一样高。因此，绝对模式的每个除法步骤的长度等于增量模式的周期段(毕业周期)的长度。

为了读取绝对轨迹，几个传感器读取模式的连续步骤。相邻传感器之间的距离必须等于绝对轨道的分步长或增量轨道的毕业周期。由于这种传感器的尺寸较小，定制设计的微型光学传感器通常被封装为特定应用的半导体芯片上的传感器阵列。图3显示了绝对编码器的传感器布置示例。

来自传感器阵列的数字化输出信号提供一个格雷码，这是一种二进制码，其中两个连续的值仅相差一位。因为连续的增量位置代码只差一个二进制数字，Gray代码可以防止在位置之间的转换时引入错误代码。

磁性旋转编码器

磁编码器基于与增量编码器相同的原理，具有比光学编码器更健壮的优点，因为它们对冲击、振动和污染不那么敏感。它们也更耐用，因为发光二极管没有退化。

然而，由于磁场随着与磁体表面距离的增加而迅速减小，因此图案的周期段的数量不超过几十个。此外，如果毕业周期非常小，磁传感器必须非常接近磁铁表面，以感知明显的转变。

磁性编码器通常通过以较高分辨率进行模拟处理来补偿少量的周期。这导致对电噪声有更高的敏感性。此外，一个周期内的信号精度较低，使得磁性编码器的整体精度不如同类光学编码器。

光学、磁方面的缺点

光编码器和磁编码器都有一些缺点。它们至少需要两条轨道和一组传感器来确定旋转磁盘的绝对位置。特别是对于磁编码器，在编码器盘上排列两个同心磁图案是很困难的。在光学和磁绝对编码器中，位置检测的可靠性很大程度上取决于码投影到传感器阵列上的准确性。

由于码道的低维公差，绝对编码器磁盘必须以极高的精度制造，其尺寸只能尽可能小。这解释了为什么绝对编码器通常有256个除数，而相同大小的增量编码器通常有1024个增量。

全新设计优势

一种新的磁性绝对旋转编码器设计克服了传统绝对编码器的许多缺点，如图4所示。若干大小不同的永磁体沿编码器盘的外缘放置在一个圆形磁道上，形成磁码磁道，磁码磁道的图案是非周期性的。

磁(霍尔)传感器固定在编码器的静态部分，彼此等距间隔，同心排列并靠近磁码轨道。

一种专利算法从一个磁码轨道的非周期性模式中生成具有给定数量传感器的最大位置数的格雷码。

此外，传感器的模拟输出信号直接提供高分辨率的绝对位置，而不需要额外的增量读数。传感器产生的电信号与面对磁铁产生的磁场强度成正比。这些模拟信号首先通过与阈值比较进行数字化，从而生成描述低分辨率绝对位置的格雷代码。例如，由7个传感器和7个磁铁组成的配置创建了一个灰色代码，可以识别98个位置。

为了获得更高的绝对分辨率，应用了额外的信号评估专利方法。根据预定义的信号表，两个模拟信号与每个格雷码相关联。所述磁盘的绝对位置对应于预先记录的模拟信号的位置表中相关联的位置值，该模拟信号的值最接近该阈值。

这种设计可以使用12位模数转换器和7个传感器配置提供20位的分辨率。

坚固耐用的设计尤其适用于暴露于严重冲击(例如由于紧急制动或高振动)的电机反馈应用，如采矿、钢铁、水泥和造纸行业。

Markus Erlich博士是Servotronix Motion Control Ltd.市场营销副总裁。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

关键概念

• 新的设计将光学编码器的高分辨率和精度优势放在一个紧凑，坚固的磁性绝对旋转编码器中。
• 磁编码器比光学编码器对冲击、振动和污染不那么敏感。
• 坚固耐用的设计适合暴露于严重冲击(如紧急制动或高振动)的电机反馈应用，适用于采矿、钢铁、水泥和造纸行业。

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新的设计可以为旋转编码器的应用提供更高的可靠性。

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