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?。以谖暮罅粞粤?，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，在標識上幾乎沒有區(qū)別，混在一起銷售了，很多用戶由于對進口品牌的信任，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?。┮晃闹幸灿斜硎?，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)的哪些受保護內(nèi)容、保護期限、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

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，但專利的保護內(nèi)容與保護期限均未查到。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。