新一代空心轴编码器——打破多圈限制，填补运动控制领域的一个重要空白

图片提供 ：Posital  Fraba

作者 | Christian Fell

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通过韦根效应可使空心轴编码器旋转多圈，能量收集更高效，从而扩展其使用范围，包括机器人应用。

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对于运动控制来讲，空心轴编码器是一种有吸引力的替代方案。在布置设计方案时，空心形状为工程师提供了更大的灵活性。但在过去，这种类型的编码器大多局限于单圈测量范围。新一代空心轴编码器，由于采用了无需电池、基于韦根效应的多圈旋转计数系统，打破了这一限制。

空心轴编码器填补了运动控制领域的一个重要空白，为伺服电机、驱动器和机器人的设计人员提供了一种选择，可以将位置反馈传感器安装到产品中。这类编码器中间开口较大，可以将其方便地安装在电动机或齿轮箱的传动轴端上。空心轴编码器非常适合安装在机器人上，可以内置到关节中以直接测量手臂的位置。中空形状为结构元件或电线或气动 / 液压管线穿过关节的中心预留了空间。

具有较大中心开口的空心轴编码器，通常以电容式测量技术为基础，这与磁性技术有所不同，该设计不需要将仪器布置在其中心线上。电容式编码器的转子和定子组件的形状像扁平的环。当转子转动时，这些导电表面会改变相对位置，从而改变整个系统的电容耦合。这调节了通过电容器系统传输的中频电信号的振幅和相位角。

信号变化经解码后，就可以确定转子的角位置。其精度非常高，分辨率为 19 位。由于电容是在环形转子和定子组件的整个圆周上平均的，因此该系统对微小的对准误差或存在水分或灰尘的情况相对不敏感。

▎空心轴编码器是运动控制有吸引力的替代方案 ；在布置设计方案时，空心形状为工程师提供了更大的灵活性。

增加多圈功能

将多圈计数功能添加到空心轴编码器有助于许多应用，例如当电机连接到减速齿轮系统或电缆线轴时。对于机器人应用而言，多圈测量范围是行程范围超过 360 度的关节的理想选择。

一直以来，由于空心轴编码器的开放中心形状，增加多圈功能一直是一个挑战。现在，这一困难可以通过采用韦根导线（Wiegand  wire）来解决，韦根导线利用一组磁铁的旋转来触发编码器内置的旋转计数器系统。这种方法的一个优点是计数器系统基本上是自供电的，无需麻烦的备用电池或笨重复杂的齿轮系统。

多圈测量范围的关键是计数器系统，该系统由从转子元件的运动中收集的能量提供动力。虽然基于韦根能量收集技术的系统通常使用安装在驱动轴中心线上的永磁体，但必须为空心轴的设计找到一种全 新的装置。经过大量的现场测试和磁场模拟，最终确定在转子上安装 4 个永久磁铁。

磁铁会产生一个稳定的磁场，该磁场会随转子一起转动。当转子转动时，安装在定子上的韦根 传感器，会响应磁场变化并产生脉冲电流，从而激活计数电子设备，记录每一转。很多 PLC 和微控制器都支持该接口。

▎电容式编码器的分解图显示了其各部件的组成。

高效的能量收集方式

能量收集是指直接从就地环境收集能量的技术，它可以减少对备用电池及其随之而来的维护工作的需求。

尽管压电系统、热能和动力学过程确定了能量收集的步伐， 但以美国发明家 John Wiegand 命 名的韦根效应（Wiegand  effect），仍然被认为是一种神奇的替代方案。韦根导线是一根特 制的维卡合金（钴铁钒磁性合金）导线。当其暴露于变化的外部磁场（例如一个附近的装在转轴上 的永磁铁），韦根导线会起初保持其自身的磁极，然后当外部磁场达到一定临界值时候突然翻转此磁极。核心部分突然的磁状态变化使得缠绕在维卡合金上的铜线圈产生一个电流脉冲。

自 2005 年以来，该技术已被用于能量收集，而这一突破的一个重要因素是超高效的低功耗电子芯片的出现。利用韦根效应收集的能量是旋转运动中的电磁感应产生的。与发电机不同的是， 每转产生的能量都是一致的，即使转速接近于零也是如此。韦根传感器长 15 毫米，在 7V 电压下可以产生近 200 纳焦的能量 , 这足可激活旋转计数器和相关电子设备。

关键概念： 

■ 空心轴编码器已经应用于很多运动控制，但通常受到其可转圈数的限制。

■ 韦根效应使空心轴编码器可以旋转多圈，从而扩展了使用范围。

思考一下： 

您所在的工厂里哪些应用将从空心轴编码器中获益最大？