“真”“偽”絕對值編碼,對電池記憶與韋根脈沖記憶的電子多圈技術(shù),你應(yīng)知道些什么?
2018/12/18 10:22:28 標(biāo)簽:中國傳動網(wǎng)
目前市場上商家宣稱的“絕對值多圈編碼器”,其實有多種內(nèi)部原理,其中有兩種事實上并不是完整的全行程絕對值編碼。需要了解它們使用的局限性,在哪些場合是不可以使用的。
去年底公眾號 《智造商》麥總發(fā)了一篇文章《幾種不同類型的絕對值編碼器》(點擊讀取),我在文后留言了,該文中介紹的有兩種不是“絕對值編碼器”,一種是有計數(shù)器+電池記憶的,另一種是有計數(shù)器+韋根脈沖微能量記憶的,這兩種編碼器出廠時內(nèi)部的絕對值編碼并不完整,其編碼僅僅是單圈絕對值編碼,而多圈是依賴用戶使用后計數(shù)器對圈數(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)部有計數(shù)器+記憶的方式,是“偽絕對多圈編碼器”技術(shù),我們也稱之為“電子多圈”技術(shù)。這個問題在市場上還有很多爭議,賣這些電子多圈編碼器的很多都是進(jìn)口品牌,與全行程真絕對值編碼的多圈絕對值編碼器比較,在標(biāo)識上幾乎沒有區(qū)別,混在一起銷售了,很多用戶由于對進(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值編碼的“真”“偽”,而它們因其內(nèi)部原理的不同,使用的場合也是不相同,如果用戶不清楚而不當(dāng)使用,將會造成不必要的損失。另外,電子多圈編碼器相較于齒輪箱真絕對值多圈編碼器的成本更低,如果不加以區(qū)分不給用戶有知情權(quán),混在一起銷售,那是一種不公平的不正當(dāng)競爭。
另一方面,由于電子多圈計數(shù)器加記憶型的編碼器,相較于機械齒輪箱式的真絕對值多圈編碼器而言,少了齒輪箱傳感器組,成本低,體積小,作為小型伺服電機上的編碼器應(yīng)用,仍然還是受到了不少用戶的認(rèn)可,尤其是在小型日系伺服電機幾乎都是這種電子多圈編碼器。一年來不斷有網(wǎng)友也想了解這兩種技術(shù),或者開發(fā)這兩類電子多圈產(chǎn)品,來問我這兩種編碼器的原理與它們之間的比較,哪個會好一點?在今年上海電子展上和上海工博會上,也有芯片模塊廠家和編碼器生產(chǎn)廠家都同時展示了這兩種不同方式的電子多圈編碼器,我也跟參展的廠家作了一些交流。大家也都在議論,電池記憶的與韋根脈沖微能量記憶的,究竟哪個稍好一點呢?
一、絕對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,在整個規(guī)定的測量行程中,每一個位置是唯一性的編碼,在使用后不會再產(chǎn)生新的編碼。
2、與歷史無關(guān):與時間軸無關(guān),無需計數(shù)過程,任何時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間軸無關(guān)的編碼大數(shù)據(jù)。
3、最大的容錯性:無計數(shù)過程,無記憶與再讀取過程,也就是意味著無需考慮計數(shù)起始點、停電、以及停電后是否再有移動,也無需擔(dān)憂在任何時候的干擾,干擾后是否還能恢復(fù)到真實的編碼角度信息輸出——所有的編碼預(yù)先編好了,不會再產(chǎn)生新的編碼,只與編碼器轉(zhuǎn)軸運動位置有關(guān)(與是否斷電無關(guān)),外部的干擾也無法改變原始編碼值。
二、計數(shù)器的電子多圈技術(shù)
1、一種單圈絕對值編碼,多圈增量計數(shù)。在360度范圍內(nèi)是絕對值的,超過360度后回零,并以計數(shù)器的增減來增加多圈編碼器的編碼。也就是多圈數(shù)據(jù)原始編碼沒有,而是從寄存器里調(diào)取并在使用時通過`計數(shù)器獲得新的編碼。
2、以時鐘表盤舉例,這種電子多圈編碼器只有一根表針,當(dāng)經(jīng)過12點后就回零,在經(jīng)過12時,數(shù)值一下子從最大到最小,電子計數(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?,邏輯判斷圈?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值多圈屬于“電子多圈”計數(shù)器性質(zhì),不符合上面的第1與第2條,因而不能稱為“絕對值編碼”,我把它們稱為“偽絕對值”。下面我們對這兩種電子多圈技術(shù)的比較,重點將是在”容錯性” 上的比較。
三、電池記憶電子多圈技術(shù)的原理及容錯性
在本公眾號《您買了假絕對值編碼器嗎?您的知情權(quán)被忽視了嗎?——扒一扒偽絕對編碼器》一文中,我已有對電池記憶原理的電子多圈有表述??苫仡^點擊讀取該文。
這里重點講講零點分界線、電池記憶技術(shù)的電源低功耗管理與電池能量計算。
1、讀數(shù)的可靠性問題:電池記憶多圈技術(shù)主要是光學(xué)單圈絕對值碼盤,通過兩次先后的讀取,判斷是否過零點分界線。這里光學(xué)碼盤的零點刻線是穩(wěn)定的,分界線清晰的,關(guān)鍵是在過零點分界線前的最后一次讀數(shù)的可靠性,和過零點分界線后的第一次讀數(shù)的可靠性,依賴于這兩次讀數(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。零點分界線的穩(wěn)定清晰,兩次讀取的讀數(shù)準(zhǔn)確性,成了這種計數(shù)器容錯性的最大考量。當(dāng)突然斷電時或者有較大的干擾時,編碼器的位置正好在零點位置及附近時,兩次讀數(shù)比較會產(chǎn)生反向抖動,這個問題就會比較突出。
2、能量管理問題:斷電后,單圈光學(xué)碼盤的讀取可靠,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,而長時間的斷電待機狀態(tài)下,備用電池的電能很快就會耗盡。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)約以維持長時間待機,往往采取一種間隙式供電策略。供電時間占空比、供電啟動與暫停所帶來的電源波動對光源與傳感器讀取的影響,供電工作占空比與待機時間的權(quán)衡,外部電源供電與內(nèi)部電池供電的切換時對光源與傳感器讀取的影響,等等。例如突然的斷電,或者開機通電時的電源管理,是否會因供電的抖動,在零點分界線附近的讀數(shù)反向抖動,易造成過零點分界線的計圈判斷的失敗。
3、對電池能量的計算:對長時間待機或者電池壽命將盡時,對電池能量需作計算判斷,以報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圈的失敗。
4、電池本身的問題:在編碼器內(nèi)部的電池因容量較小,待機時間有限。而引線到外部的電池,容量雖然大了,但是引線接插件等故障可能性增加,對于抗振動環(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,不適于戶外場合。尤其是,不適于較長斷電待機且戶外(無空調(diào))的場合,例如水閘開度、起重與港口機械、工程機械、風(fēng)電與太陽能(戶外場合)等等,應(yīng)該避免使用。
日系編碼器廠家確實也說明了,這類編碼器適用于小型伺服電機、小型機械手臂和機器人。而沒有指明可在較大型設(shè)備上以及有高低移動下沉、有位能變化的位置閉環(huán)場合下適用。
四、韋根脈沖微能量記憶多圈技術(shù)的原理及容錯性
韋根脈沖微能量記憶的原理,在《您買了假絕對值編碼器嗎?您的知情權(quán)被忽視了嗎?——扒一扒偽絕對編碼器》(點擊讀取)一文中也有表述,這里不再啰嗦。
重點講講磁電式編碼器的零點位置模糊性,韋根自發(fā)電能量大小的不確定性,韋根微能量儲量的不確定性。
1、磁場零點不確定性:磁電式單圈絕對值編碼器與光學(xué)編碼器比,磁場零點位置分界線是模糊的,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,灰塵金屬屑的對空間電磁場分布的擾動,外部電磁場的擾動等,在通電狀態(tài)下,可以有四個正交的磁電感應(yīng)器做差分共模干擾消除,但是在斷電狀態(tài)下,僅依賴于2個韋根感應(yīng)器對過零點的感應(yīng)判斷,一旦停在磁場零點附近,磁場反向擾動時過零點計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)電的能量來之于編碼器轉(zhuǎn)軸的動能,停電后轉(zhuǎn)軸速度動能是未知的,并不確定的,長時間待機后計數(shù)器能量是僅僅就靠韋根自發(fā)電,還是依賴于前面存儲的能量,如果是存儲的能量能待機維持多久?這種斷電后的自發(fā)電電流與能量儲備是不確定的,韋根廠家沒有給答案。
3、斷電后在磁場零點附近的輕微抖動,動能極為有限,每次抖動因此轉(zhuǎn)換的韋根微發(fā)電能量究竟是否能夠正好達(dá)到計數(shù)器工作?如果依賴存儲能量在長期停電待機后,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數(shù),以及計數(shù)器如果有錯如何判斷、檢出并報警?在這一點上韋根做得還不如電池,如果已經(jīng)是錯誤的數(shù)據(jù)了,使用者卻無法知道這是錯誤數(shù)據(jù),而且因為宣傳上它是“沒有電池的,絕對值的”,用戶出于對絕對值編碼器的信任,會繼續(xù)使用錯誤的數(shù)據(jù),而有可能造成事故發(fā)生概率。對這樣的問題,韋根編碼器廠家以模糊的“專利技術(shù)”搪塞,而從未做正面回答。韋根專利技術(shù)的哪些受保護(hù)內(nèi)容、保護(hù)期限、哪些已是公開技術(shù)無需專利,均未在資料上見到。
5、新的據(jù)稱EMC已經(jīng)成熟的韋根編碼器入市時間較短,數(shù)量累計還不夠多,問題雖已有少量暴露,但還沒有引起足夠的警惕性。據(jù)市場未經(jīng)證實的反饋意見,韋根多圈編碼器在交貨時,中國市場上因進(jìn)口編碼器出廠經(jīng)運輸及中間環(huán)節(jié),以及中國市場很多項目周期長,中間的斷電待機時間較長,大約有不到1%左右的數(shù)量編碼器在使用時已發(fā)現(xiàn)有計圈錯誤,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于可靠性要求高的場合,需要評估因數(shù)據(jù)失敗去現(xiàn)場檢查并更換編碼器,所帶來的損失有多大。
尤其是,不適于較長斷電待機且戶外(無空調(diào))的場合,例如水閘開度、起重與港口機械、工程機械、風(fēng)電與太陽能(戶外場合)等等,應(yīng)該避免使用。
令人擔(dān)憂的是,由于韋根電子多圈編碼器沒有電池,在中國市場上宣傳的含糊性,常常與機械齒輪箱式的真絕對值多圈編碼器混在了一起銷售,而難以區(qū)分。有的商家在“絕對值多圈編碼器”上竟然有三種可能性難以向用戶明示區(qū)分:光學(xué)式的齒輪箱多圈絕對值編碼器(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,在戶外無空調(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合下不可用),這三種同時有在銷售,用戶在采購時是否清楚究竟買的是哪一種?是否在自己使用的場合適用。
五、雙編碼器電子計數(shù)器,電池記憶的改進(jìn)
在今年的上海工博會上,尼康公司展臺上展示了一種雙編碼器計圈數(shù)的方法,在征得尼康參展人員的同意下,我拍照了他們展示的圖片:
尼康展示了兩種型號,一種是單純的光學(xué)碼盤加電池,就是傳統(tǒng)的電池記憶模式。另一種是光學(xué)碼盤加電池與磁電式計圈同時集成的雙編碼器方案。
韋根電子多圈編碼器在進(jìn)入中國市場時,其宣傳的賣點就是“沒有電池”,似乎沒有電池就更像是“絕對值編碼器”了。但是這樣的宣傳誤導(dǎo)了市場,其一是韋根電子多圈比電池記憶電子多圈好,其二是韋根電子多圈與機械齒輪箱真多圈編碼器的不加區(qū)分,直接當(dāng)作多圈絕對值編碼器而蒙混用戶了。針對韋根的宣傳進(jìn)攻,電池的代表尼康似乎也有了回應(yīng)。就是光學(xué)與電磁式的雙原理計數(shù)圈數(shù),增加容錯性與檢出,并申明用電池能量的“可確定性”。我們看看廠家宣傳上還有什么沒說的潛臺詞嗎?
1、電池記憶型的消費電流保持一定,那韋根的會怎么樣?不確定。
2、電池的能量及使用壽命可確定,需要更換電池時可以檢出而提前報警。韋根的能量獲得與存儲有不確定性。
3、光學(xué)與磁電兩種原理計數(shù),可以避免同源性錯誤,磁電的錯誤不會影響光學(xué)的計數(shù),光學(xué)的錯誤不會影響磁電的計數(shù)。兩種比較后如果不一致可以報警。
4、既然需要兩種原理計數(shù)器,說明了單一原理的計數(shù)器存在某種潛在錯誤故障。韋根編碼器是單一磁電原理的,事實上可能就是存在某種潛在錯誤!
5、如果單圈絕對值用光學(xué)碼盤,多圈計數(shù)器用韋根,由于光學(xué)碼盤的工作需要給光源與傳感器供電,韋根的微能量不足以供電,仍然需要電池提供斷電后的能量。還是需要有電池。
因此,尼康改進(jìn)型用光學(xué)與磁電兩種模式的雙編碼器計數(shù)器,可以相互檢出可能的故障并報警。
(請等一等,那錯誤報警意味著兩種方法檢出的數(shù)據(jù)有不同,又如何判斷哪一種是對的?停機檢查。容錯安全性有了,但是效率還是沒有。)
六、假如你想做這兩類電子多圈產(chǎn)品,我給你的忠告
十多年前我計劃國產(chǎn)化絕對值多圈編碼器時,當(dāng)時也收集了電池記憶型和韋根編碼器(當(dāng)時已有報道)資料,以及與機械齒輪箱式絕對值多圈編碼器的比較,最終判定前兩種是偽絕對值編碼,不徹底的多圈絕對值,國產(chǎn)化沒有太大意義去做它們而放棄了。專心于機械齒輪箱絕對值多圈編碼器的國產(chǎn)化。但這十幾年因小型伺服電機的迅猛發(fā)展,機械齒輪箱式多圈絕對值編碼器因體積大、成本高,在小型伺服電機上普遍沒有被采納。小型伺服電機用戶更傾向于電池記憶式,或者也有少量考慮用韋根多圈式。有網(wǎng)友希望能開發(fā)這兩種電子多圈編碼器,與我交流有什么樣的瓶頸,需要注意些什么。
1、電池記憶式:相比較而言,日系電池記憶式的技術(shù)應(yīng)用較久,在小型電機上的使用也已較為成熟,關(guān)鍵在于低功耗電源分配及穩(wěn)定的管理技術(shù)。并不是連上個電池那么簡單。電池容量是有限的,斷電待機時間長,電池很快就會耗盡。所以核心技術(shù)是在斷電后的低功耗電源分配管理,以及通電與斷電的切換時的錯誤屏蔽。日本工業(yè)在電子手表上已積累有四十年的低功耗電源管理經(jīng)驗,因此日系編碼器也是利用日本在這個方面的資源優(yōu)勢,而重點發(fā)展了電池低功耗記憶型。如果國產(chǎn)化也要做,我們目前的現(xiàn)有技術(shù)缺少,涉及到低功耗且穩(wěn)定的光源LED、低功耗且保持穩(wěn)定精度的傳感器、低功耗電源管理芯片這三個在供應(yīng)鏈上需進(jìn)口元器件,或者國產(chǎn)化逐一突破。
2、韋根多圈式:磁場零點位置的可確定穩(wěn)定性。同樣國產(chǎn)化在供應(yīng)鏈上的瓶頸。據(jù)稱韋根編碼器的專利在國外公司A家手上,但專利的保護(hù)內(nèi)容與保護(hù)期限均未查到。核心元器件韋根絲加工生產(chǎn),為另外一家國外公司 B家買下,如需采購又需從僅此一家的B家采購,但B家自己也在主推成品韋根編碼器,它既可能是你供應(yīng)商,也可能是你競爭對手。而韋根計數(shù)器及微能量管理儲存的芯片是有第三家國外公司C家提供,僅此一家的芯片技術(shù)可較好的商用化,其錯誤故障率較低。如果需要做韋根多圈編碼器,命運掌握在進(jìn)口供應(yīng)鏈上這ABC三家國外公司手上,不可缺一。
另一家的芯片方案
3、由于國產(chǎn)化在供應(yīng)鏈上有目前難以逾越的瓶頸,供應(yīng)鏈上都需要從多家國外公司分別采購元器件芯片,而獲得的成果還不是真正的絕對值編碼,僅僅有停電記憶功能,卻不能保證記憶的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,因此我早早放棄了這兩個做國產(chǎn)化的方案。如果有人還是想去做,我已在上面給出了提醒忠告。
我給大家推薦的是機械齒輪箱真絕對值編碼的多圈絕對值編碼器。
絕對值編碼器不僅僅是“停電記憶”,其更重要的意義是因為預(yù)先全編碼的唯一性、最大的容錯性,以及所帶來的最大的可靠性。而電子多圈技術(shù)盡管在有些場合也用得不錯,但是在大量使用下,單個再小的出錯概率數(shù)量,也會因使用數(shù)量大而累積出錯概率,而影響到整個生產(chǎn)線的故障停機,甚至造成事故的發(fā)生。
七、對機械齒輪箱真絕對值編碼器的疑問解答
在有上下移動的有位能變化的位置閉環(huán)場合,應(yīng)該嚴(yán)禁使用電子多圈式偽絕對值編碼器。
因為在停電后由于物體的重量下沉,靠停電記憶的偽絕對值編碼是靠不住的,容易出現(xiàn)事故。必須使用真絕對值編碼器。
關(guān)于一些機械齒輪箱絕對值多圈編碼器的疑問:
1、機械齒輪箱絕對值多圈編碼器沒能進(jìn)入小型伺服電機,原因是體積較大,成本價高,轉(zhuǎn)速響應(yīng)不夠快(多組傳感器的融合刷新,限制了高轉(zhuǎn)速)。但是機械齒輪箱式絕對值多圈編碼器已用于較大型的伺服電機(異步伺服)上。
2、機械齒輪箱絕對值多圈編碼器的多圈編碼,是與單圈編碼整體性編碼的,單、多圈編碼整體性不可分割,而并不是單圈編碼+“多圈計數(shù)”。成熟的多圈絕對值技術(shù)在單圈、多圈完整編碼時已經(jīng)考慮了容錯性,包括齒輪箱齒牙的背隙。可參見我公眾號的第一篇文章《編碼器基礎(chǔ)~格雷碼的編碼美學(xué)》。
3、機械齒輪箱多圈絕對值編碼器的碼盤有光學(xué)式的,有磁電式的,也有兩種原理混合式的,只要符合全行程唯一性編碼及容錯性整體編碼原則,各種原理均可實現(xiàn)多圈絕對值編碼,只是光學(xué)單圈碼盤的精度更高,磁電式抗振動抗水汽灰塵更好。并不存在磁電式抗電磁干擾較差的說法,SICK的ATM60是全磁電式的,十多年來大量用于起重、港口機械等較大設(shè)備;GEMPLE的全磁電式多圈編碼器也已用于核磁共振醫(yī)療設(shè)備,在現(xiàn)場磁場強度達(dá)到了1.5T強磁場干擾下,未發(fā)生一例因磁場干擾而編碼失效。
4、機械齒輪箱多圈編碼器的齒輪材質(zhì)絕大部分是工程塑料,因為編碼器的碼盤是感應(yīng)式讀取,轉(zhuǎn)軸力矩負(fù)載很小,齒牙的磨損也很小,設(shè)計壽命均超過十年。而金屬齒輪需外表面經(jīng)過特殊表面處理才能使用,如無特殊處理硬化,磨出來的金屬微屑進(jìn)入齒輪箱空間將改變空間電磁場分布,而帶來讀數(shù)的不確定性。如果沒有較好的金屬表面處理技術(shù),我不建議用金屬齒輪。
5、最后再次放上真絕對值編碼的多圈絕對值編碼器的意義
絕對值編碼器并不是只是“停電記憶”,
而是 固有的唯一性編碼
最大的容錯性
最高的可靠性
由于目前市場上“真”“偽”絕對值多圈編碼器的不加區(qū)分,當(dāng)你計劃采購“絕對值多圈編碼器”時,最好向銷售商家(廠家)了解一下其內(nèi)部的多圈原理,是否只是電子多圈而非真絕對值編碼(全行程),以判斷是否在你的應(yīng)用場合合適。
本文僅代表作者個人觀點,基于作者二十多年在絕對值多圈編碼器上的經(jīng)驗,及幾家編碼器廠家在網(wǎng)站與展會上展示的內(nèi)容。但由于市場上某些編碼器商家(廠家)提供的資料很有限,甚至有些躲躲閃閃的,本文章采集資料及分析表述難免有局限性。用戶如需進(jìn)一步了解,請向提供“多圈編碼器”產(chǎn)品的廠家咨詢、澄清。
文章部分引用了公眾號《智造商》麥總的資料,在此表示感謝。
文章部分引用了尼康公司在上海工博會上展示的圖片,在拍攝時已征得尼康參展商人員的同意,在此對尼康公司表示感謝。
供稿: @Q裘奮 AQ編碼
本文鏈接:http://www.baqblw.cn/content.aspx?url=rew&id=1053
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