使用多匝編碼器的方式及時機

多匝旋轉編碼器是一種精密的機電感測器，不僅可以測量軸在單次旋轉 (0° 至 360°) 內的角位置，還可以測量累積的完整旋轉次數。單圈編碼器每次旋轉都會重置其輸出，但多匝編碼器不會，而是提供絕對角位置和總旋轉次數，因此能夠在延伸的動作範圍內達到精準的位置回饋。

在先進的動作控制應用中，僅擷取一個 360° 週期的軸角不足以進行可靠的系統監控。當旋轉動作在機械上與線性位移、齒輪系或大型設備耦合時，追蹤總轉數便很重要。多匝編碼器可提供連續的絕對位置資料，滿足此需求，確保複雜機電系統進行精準同步和控制。本文將詳細討論多匝編碼器，包括其工作原理、用途，以及其他整合考量。

多匝編碼器的功能和優勢

雖然似乎可以透過監控單圈編碼器何時從 359° 轉動到 0°，以軟體追蹤完整軸旋轉，但這種方式會對可靠性造成重大挑戰。遺漏樣本、電源中斷、通訊尖波，甚至振動引起的雜訊都可能導致轉數不同步。在 0°/360° 邊界附近的快速反轉，常常會進一步混淆翻轉偵測邏輯，導致累積錯誤。即使經過全面的濾波和演算法調整，以軟體為基礎的解決方案仍然容易降低準確度。

多匝絕對編碼器整合兩個關鍵能力，在硬體層面解決這些挑戰，即在單次旋轉內的精細角解析度和用於追蹤完整軸轉動的內建轉數計數器。角測量一般由電容式、磁力、光學感測技術進行，而轉數計數器則與角度資料同步更新。這種組合提供真正的絕對多匝位置，無需依賴外部翻轉邏輯，即可提供強大且無錯誤的回饋。

轉數計數器能以多種方式實作。機械編碼器採用齒輪架構系統，磁性設計則常會使用 Wiegand 線脈衝能量記錄轉動，而數位方式則依賴連續電力。數位實作通常需要精心的系統設計以保持電源連續性，通常會使用備用電池或軟體保護措施，在中斷期間保持轉動計數。

如何在啟動時執行多匝編碼器

多匝編碼器的關鍵設計挑戰之一是如何管理啟動重置，因為遺失儲存的圈數可能會有損絕對位置資料。通常會採用幾種工程策略來緩解這種情況：

• 原點或極限開關參考 - 啟動時，系統將機制驅動到預先定義的參考點，並重新初始化編碼器的位置。
• 儲存最後已知值 - 如果有主機控制器或非揮發性記憶體可用，系統可以儲存關機前最後記錄的角度和轉數。重新啟動後，只要軸在停機期間沒有移動，就會重新套用這些值。
• 機械軸鎖定 - 在計畫關機或超低功率狀態下，可以將軸實體鎖定以避免移動。儲存的編碼器值在啟動時有效，達到無縫恢復。此方法在可攜式或電池供電系統中特別實用。
• 系統級重新初始化 - 有些應用可以允許遺漏數圈，此時，系統可以在啟動時使用外部感測器或安全預設狀態，進行簡單重置和重新校準。如此可降低複雜性，但僅可用於非關鍵位置回饋應用中。

針對在電源中斷期間無法接受旋轉計數遺漏的應用，整合電池備援是最可靠的解決方案之一。這種方法不依賴外部重新校準方法或輔助感測器，而是確保編碼器在短暫或長期停電時仍然保持持續供電。

從功耗的角度，必須選對技術。Same Sky 的 AMT 系列電容式編碼器的運作功率通常僅約 80 mW，可為嵌入式和電池供電式設計提供高效率，如此可大幅減少消耗備用儲能，在電池容量不大的情況下提供長期支援。

相較之下，磁性編碼器消耗的功率通常為 150 至 500 mW，而光學編碼器在高解析度或 LED 架構的系統中通常需要 200 mW 至 1 W 以上的高功率。這種效率優勢使得電容式編碼器在功率受限的環境中極具吸引力，因為在此環境中，每一毫瓦都非常重要。

圖 1：編碼器技術的常見功耗。(圖片來源：Same Sky)

使用多匝編碼器的應用範例

以下是一些常見的實際場景，此時單圈回饋不足，需要多匝編碼器：

• 齒輪或皮帶減速驅動器 - 在馬達輸出軸每轉動一圈就完成多次旋轉時 (如 10:1 比)，僅追蹤最終角度不夠，系統必須考慮到所有中間的轉動以保持位置準確性。
• 滾珠螺桿和導螺桿 - 每個軸旋轉對應一個固定的線性距離。遺漏旋轉會直接轉換為線性位置誤差，因此多匝追蹤對於精準定位非常重要。
• 齒軌和齒輪機制 - 連續線性行程是由旋轉輸入產生。需要對每次旋轉計數，才能達到準確的回饋，計算真實的行進距離。
• 機器人和自動化中的旋轉軸 - 關節、回轉台、旋轉平台通常超過單一旋轉。如果沒有多匝回饋，系統在運作時可能會出現動作錯誤甚至發生碰撞。

一般而言，如果應用有以下要求，多匝編碼器將有助於動作控制系統：

• 延伸位置追蹤 - 必須監控 360° 以上軸動作的系統。
• 旋轉至線性轉換 - 每次旋轉都對應精準的線性行程以驅動機制。
• 高齒輪比 - 齒輪或皮帶傳動系統，其馬達轉速遠遠超過輸出軸動作。
• 以最少的濾波達到絕對準確度 - 適合無法允許軟體翻轉偵測累積錯誤的應用。
• 簡化的啟動邏輯 - 受益於更簡單、更可靠啟動初始化的設計。

Same Sky 的 AMT 絕對編碼器系列包括具有 SPI 和 RS-485 數位介面的緊湊型多匝型號。專為嵌入式動作系統所設計，具有低功耗、模組化安裝靈活性，以及直接通訊的特點，因此非常適合需要絕對多匝追蹤的應用。正確管理啟動重置，可確保在整個操作週期內維持準確度。

雖然有各種通訊協定，但大多數協定都使用少量位元組或命令，即可輕鬆讀取角位置和轉動次數。Same Sky 的 AMT 編碼器的命令記錄在其各自的規格書中。

結論

多匝編碼器透過內部管理旋轉追蹤簡化動作控制，因此無需複雜的翻轉邏輯或全面的軟體濾波。此內建功能可確保在延伸的動作範圍內取得準確的位置資料，成為工程師不可或缺的組件，以開發可靠且可擴展的自動化系統。

Same Sky 的 AMT 絕對多匝編碼器進一步增強設計靈活性，支援從 2 mm 到 5/8 in (15.875 mm) 的馬達軸直徑。這種寬廣的機械相容性允許整合到各種馬達平台中，無需額外客製化即可提供強大的位置感測。