绝对值编码器的【工作原理】与【输出方式】详解

绝对值编码器是一种直接输出与机械位置一一对应唯一数字编码的传感器。其核心特性在于：系统上电瞬间即可获得当前位置信息，无需执行参考点回零操作，且断电后位置信息不会丢失，是实现高可靠性绝对定位的核心元件。

一、工作原理

绝对值编码器的核心在于其独一无二的“位置-编码”映射机制。

1. 编码生成机制

无论是旋转型还是直线型，其核心部件都是一个刻有特定编码图案的码盘或码尺。码道（或称轨道）沿径向或长度方向排列，每条码道代表一个二进制位。

• 光电式（主流）：码盘由透明（代表“1”）与不透明（代表“0”）的扇形区间隔构成。光源照射下，码盘另一侧对应的光电传感器阵列同时读取所有码道状态，直接生成一个多位的二进制（或格雷码）数值。

• 磁电式：码盘被多极磁化，每个磁化扇区代表一个编码位。通过霍尔传感器或磁阻传感器阵列同时检测各磁道的磁场极性，转换为数字编码。

2. 编码类型

• 二进制码：直接的自然二进制数，但相邻位置变化时可能引起多位跳变（如从0111到1000），易产生粗大误差。

• 格雷码（Gray Code）：工业绝对编码器最常用的编码方式。其特点是相邻两个位置的编码仅有一位发生变化，从根本上杜绝了因信号读取不同步或临界抖动而导致的重大误码，安全性极高。

3. 工作过程

当轴旋转或尺移动时，每一个不同的物理位置都对应着一组唯一的、预先设定的光电/磁电传感器状态组合。

信号处理电路将此状态组合实时转换为对应的数字量（如16位二进制数）并输出。控制器读取该数值，通过查表或计算，即可直接得知当前位置。

二、核心技术

1. 单圈绝对值编码器

• 范围：仅能检测一周（360°） 以内的绝对位置。

• 原理：码盘上的编码图案在旋转一周内是唯一的。例如，一个12位的单圈绝对值编码器能将一圈分为 2^12 = 4096 个唯一位置。

• 应用：适用于行程小于一圈的旋转定位，如机器人的末端关节、摆动机构。

2. 真绝对值多圈编码器（关键技术突破）

• 范围：不仅能检测一周内的绝对位置，还能记录旋转的圈数。

• 工作原理：

1. 齿轮箱+多圈码盘：通过精密齿轮组将主轴的旋转传递给一个或多个额外的“圈数计数码盘”。主码盘记录圈内位置，从码盘记录圈数，共同组成一个唯一的绝对位置值（例如：圈数高16位 + 圈内位置低16位）。

2. 电池备份（Battery Backup）：编码器内部集成计数电路和备用电池。断电时，由电池供电维持圈数计数器的数据。

3. 韦根/能量收集（Energy Harvesting）：更先进的无电池技术。利用韦根线效应或微型发电机，在主轴转动时产生微小电能，驱动非易失性存储器（如FRAM）记录圈数，实现终身免维护的绝对位置记忆。

三、输出接口

1、并行接口

每位数据占用一根物理线缆。

优点：传输速度极快，无延迟。

缺点：线缆多、易受干扰、传输距离短。

主要用于需要极高速实时读取的场合，如高速分切机。

2、同步串行接口（主流）

通过一对时钟线和数据线，在时钟同步下串行传输所有位置数据。

优点：可靠性高、抗干扰强、线缆少。

代表：
• SSI：传统工业标准，简单可靠。
• BiSS-C：开放式、全双工、高实时性协议，性能优于SSI。

3、现场总线与工业以太网

将编码器作为网络节点集成。

优点：支持多设备、数据丰富（位置、状态、诊断）、传输距离长。

代表：
• PROFIBUS-DP, DeviceNet：传统现场总线。
• PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP：现代工业以太网，可实现纳秒级同步和高速数据交换，是智能制造和高端伺服系统的核心配置。

四、应用优势

• 上电即得位置：缩短设备启动时间，提高生产效率。

• 断电位置保持：免受停电、干扰影响，系统可靠性极高。

• 无累计误差：位置信息直接读取，不存在脉冲丢失导致的误差累积。

五、选型要点

1、单圈 vs. 多圈：根据机械运动范围确定。行程超一圈必须选多圈。

2、分辨率与精度匹配：高分辨率不等于高精度。需根据系统最终定位精度要求综合考量。

3、接口选择：

• 高速单轴：可选并行或高速串行（BiSS-C）。

• 多轴、分布式系统：首选工业以太网（EtherCAT/PROFINET）。

• 传统系统改造：SSI或现场总线。

4、环境适应性：

• 油污、振动环境：优选磁电式绝对值编码器。

• 洁净、高精度环境：光电式是主流。

5、机械安装：注意轴型/通孔、法兰标准、防护等级（IP）与现场匹配。

与增量式编码器的选择总结

• 选用绝对值编码器：当系统对断电记忆、上电即用、高可靠性、安全要求高时，或物理上难以执行回零操作时。

• 选用增量式编码器：当成本敏感、仅需速度控制或相对定位、行程无限长（如传送带）时。

绝对值编码器以其独特的数据唯一性和断电保持能力，已成为现代高端自动化、智能制造的基石型传感器。正确理解和应用其多圈技术与接口协议，是构建稳定、智能运动控制系统的关键。