单圈绝对式编码器 vs. 多圈绝对式编码器

在选择绝对式编码器之后，正常会问：是需要单圈（Single-Turn  Encoders）还是多圈（Multi-Turn Encoders）？我们这期就重点讨论下这两种编码器的区别。

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有关增量式和绝对式编码器的介绍和讨论可以参考上期：

绝对式编码器还是增量式编码器（Absolute encoders vs. incremental encoders）

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单圈（Single-Turn ）编码器

单圈编码器提供 360 度的反馈。它不会在一圈之后持续记录位置。这并不意味着它们不精确。它们的精度和分辨率可以同样出色或简单，这取决于应用需求。

这可以是轴的偏转位置、速度或线性运动。由于它们只能测量一个旋转范围内的位置，任何超过 360 度的旋转都会使计数器返回并重新开始向前。例如，361 度的旋转会被读作 1 度。

单圈编码器使用一个定义的起始位置。当轴返回到 360 度时，位置会根据停止位置重复每转一次。它不记录旋转次数或周期数；它只报告 360 度范围内的位置。

工作原理：

• 核心是一个单圈码盘。码盘上有多个同心环形码道，每个码道代表一个二进制位（Bit）。
• 码道上刻有透光/不透光（光电式）或磁性/非磁性（磁电式）的图案。
• 使用光源+光电传感器阵列（光电式）或多组磁传感器（磁电式）同时读取所有码道当前的状态（0或1）。
• 这些状态组合起来，形成一个唯一的二进制编码，直接对应码盘当前所在的角度位置（0到360°范围内）。
• 断电后： 码盘的机械位置是固定的（只要轴没被转动），因此上电后传感器读取的仍是当前位置的编码值，位置信息不会丢失。它记住的是一圈内的绝对位置。

优点：

• 结构相对简单： 没有额外的圈数计数机构。
• 成本较低： 相比多圈编码器。
• 精度高： 专注于一圈内的测量，通常在角度分辨率上能达到很高的精度（例如17位、20位甚至更高）。
• 响应速度快： 读取单圈位置逻辑相对简单直接。
• 上电即知绝对位置： 在360°范围内。

缺点：

• 无法记录圈数： 这是其最根本的局限。如果应用需要知道轴转了多少圈（例如升降机构、长行程丝杠、需要多圈定位的转台），单圈编码器无能为力。
• 位置范围受限： 只能提供0-360°（或等效值）的位置信息。

典型应用场景：

• 只需要在360°范围内精确定位的旋转平台、转台、分度盘。
• 伺服电机的转子位置反馈（通常电机本身不会连续旋转很多圈，或者系统通过其他方式限制圈数/记录圈数）。
• 角度测量传感器（如雷达天线俯仰角、望远镜指向角，如果运动范围在一圈内）。
• 需要绝对位置但行程短于一圈的直线运动（通过小齿轮或滚轮将直线运动转换为小角度旋转）。
• 替代电位器的场合（提供数字绝对位置信号）。

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多圈（Multi-Turn）绝对式编码器

多圈编码器是一种能够测量多个旋转或圈数的旋转编码器。除了在每个旋转内提供位置反馈外，多圈编码器还可以跟踪和测量完整的旋转次数。它们能够计数和跟踪多个完整的旋转，通常多达数千个旋转。

工作原理（实现圈数记录的关键技术）

多圈编码器内部集成了圈数计数器。实现圈数计数和断电记忆主要有以下3种技术：

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机械齿轮计数器 (最经典可靠)：

• 原理： 在主码盘（测量单圈位置）的轴上，通过一组或多组减速齿轮驱动一个或多个辅助码盘。主轴转一圈，辅助码盘只转动一个小的角度（例如1/100圈）。辅助码盘也是绝对编码的。
• 圈数计算： 编码器同时读取主码盘（角度）和辅助码盘（圈数的“高位”部分）的状态，组合计算得到总圈数。
• 断电记忆：纯机械记忆！ 齿轮的啮合位置物理上确定了辅助码盘的位置。无论断电多久，只要齿轮没被外力强行转动，上电后齿轮位置就精确记录了之前的圈数信息。
• 优点：极高可靠性，无需电池，寿命长（取决于齿轮寿命），耐高温，抗强电磁干扰。 是工业恶劣环境下的首选。
• 缺点： 结构复杂，体积相对较大，成本高。齿轮有磨损极限（虽然通常非常高，如数千万转），存在极小的回程间隙（对精度影响通常可忽略）。最大记录圈数受限于齿轮级数和设计（常见4096圈, 16384圈, 65536圈等）。

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韦根线 + 能量收集 (无电池自供电电子计数)：

• 原理：
  • 韦根线 (Wiegand Wire): 一种特殊的铁磁性合金线。当受到变化的磁场（由主轴上安装的磁铁旋转产生）作用时，其内部磁畴会发生突然翻转（巴克豪森跳变），产生一个短而强的电压脉冲（韦根脉冲）。
  • 能量收集： 这个韦根脉冲的能量足够给一个小的储能电容充电。
  • 电子计数： 储能电容的能量驱动一个低功耗的电子计数器（通常是ASIC）。主轴每转一圈（或半圈等），磁铁经过韦根线一次，产生一个脉冲，计数器就加/减1。
  • 非易失存储： 计数器的值存储在非易失性存储器（如FRAM）中。
• 断电记忆： 韦根脉冲在主轴旋转时产生能量，维持计数和存储。断电时，圈数信息已存储在非易失存储器中，无需电池维持。 下次上电时读取。
• 优点：无需电池，免维护。结构比机械齿轮简单。计数范围可以非常大（取决于计数器位数）。响应速度较快。
• 缺点：需要主轴旋转才能计数/维持。 如果主轴在断电状态下被手动强行转动，由于没有旋转磁场产生韦根脉冲，计数器将无法记录这次转动，导致圈数信息错误！对安装位置（磁铁与韦根线距离）有要求。成本通常较高。

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电池供电计数器 (有电池电子计数)：

• 原理： 内部集成一个小型长效锂电池（如锂亚硫酰氯电池，寿命5-10年）和一个电子计数器（ASIC）。主轴旋转通过传感器（如光电或磁电）检测，每转一圈（或特定角度）产生信号驱动计数器计数。圈数值存储在由电池维持的SRAM或非易失存储器中。
• 断电记忆： 依靠电池在断电期间维持计数器的供电或保存存储器的数据。
• 优点： 结构相对简单（比机械齿轮）。计数范围可以非常大。成本可能相对较低。
• 缺点：
  • 有电池寿命限制： 电池耗尽前必须更换编码器或进行复杂维修（通常不可更换），否则圈数信息会丢失！这是最大隐患。
  • 电池受温度影响： 高温显著缩短电池寿命，低温降低电池性能。
  • 环保问题： 废弃编码器需处理电池。
  • 可靠性顾虑： 存在电池失效导致故障的风险。
• 应用： 主要用于对成本敏感、维护方便、环境温度适宜、且能接受定期更换的应用。在要求高可靠性和免维护的工业场合逐渐被前两种技术取代。

优点：

• 全局绝对位置： 提供包含圈数和圈内位置的完整位置信息。
• 上电即知绝对位置： 无需参考点，无论断电前在什么位置、转了多少圈。
• 断电位置不丢失： 关键优势！系统重启后位置信息完整无误（选择合适的多圈技术是关键）。
• 高可靠性（尤其机械齿轮式）： 抗干扰能力强，适合恶劣工业环境。
• 简化系统： 无需额外的外部圈数计数器或复杂的寻零/同步逻辑。
• 提高安全性： 防止因寻零失败或增量计数丢失/错误导致的设备误动作。

缺点：

• 结构更复杂： 增加了圈数计数机构。
• 成本更高： 显著高于单圈编码器。
• 体积和重量可能稍大： 特别是机械齿轮式。
• 需要考虑多圈技术选型： 不同技术（齿轮/韦根/电池）各有优缺点，需根据应用选择。
• 最大圈数限制： 即使是电子计数也有上限（虽然很大），机械齿轮式有明确的物理限制。

典型应用场景：

• 大型、复杂或危险环境中的设备。
• 防止因位置信息错误导致的安全事故（如电梯冲顶/蹲底）。
• 工业机器人关节（尤其大臂关节、腰部关节）
• 数控机床刀库（刀盘位置）
• 转塔、转台（需要知道旋转了多少个工位）
• 风力发电机变桨系统（叶片角度）
• 起重机、升降机、提升机（精确吊钩/轿厢位置）
• 长行程直线模组、丝杠驱动系统（通过旋转圈数换算直线位置）
• 大型阀门执行机构（开度控制）
• 堆取料机、龙门吊（大车/小车位置）
• 需要长行程绝对定位的场合。
• 需要绝对位置且可能多圈旋转的场合。
• 安全关键系统。
• 难以或无法执行参考点复位的场合。

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小结

我们把两种的特性对比如下表所示：

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左侧：单圈  右侧：多圈

在选型关键考虑因素如下：

1. 运动范围： 设备轴需要旋转超过360°吗？需要知道总圈数吗？如果是，必须选多圈。
2. 断电位置记忆要求： 断电重启后，是否需要立刻知道包括圈数在内的完整位置？如果是，选多圈（并注意多圈技术类型对断电手动转动的容忍度）。
3. 可靠性要求： 应用环境是否恶劣？是否要求极高的可靠性和免维护？机械齿轮多圈通常是首选。
4. 成本预算： 多圈编码器成本显著高于单圈。
5. 安装空间： 机械齿轮多圈通常体积稍大。
6. 最大圈数要求： 确认多圈编码器的最大记录圈数是否满足应用需求。
7. 环境条件： 温度、振动、冲击、粉尘、油污、电磁干扰等。不同多圈技术（特别是电池）对环境敏感性不同。

简单来说两句话：

• 单圈： 解决“我在这一圈的哪里？”的问题。适用于行程在一圈内的精确定位。
• 多圈： 解决“我在第几圈？以及在这一圈的哪里？”的问题。提供全局绝对位置，是长行程、需要断电位置保持、安全关键或难以寻零应用的关键解决方案。其核心技术差异（齿轮/韦根/电池）直接影响可靠性、维护需求和成本。

参考链接：

1. https://www.bourns.com/docs/technical-documents/technical-library/trimmers/application-notes/bourns_mt_vs_st_apno.pdf?sfvrsn=0
2. https://sell-best.com/single-turn-vs-multi-turn-encoder-whats-the-difference/
3. https://www.rls.si/eng/encoder-handbook/singleturn-vs-multiturn
4. https://www.heidenhain.us/resources-and-news/difference-between-single-turn-and-multi-turn-encoders/