【技术】基于Wiegand技术的小体积绝对值编码器方案
随着半导体技术的发展，电子电路已能在微瓦功率级别上工作，因此以就地取电和电池为代表的非传统电源供电成为了可能。但，电池往往有着使用不方便，无法更换，甚至存在安全隐患等缺点，因此进一步催生了能量收集（Energy Harvesting）技术。
环境能量源
环境能量源包括光、温差、振动梁、射频(RF)发射信号或其他能够通过某种换能器产生电荷的信号。例如：
•人们采用小型太阳能电池板为手持设备供电。此类电池板在阳光直射和间接光照射的情况下可以产生几百mW/cm²和几百uW/cm²的功率密度。
•在存在温度差的时候，塞贝克（Seebeck）器件可将热能转换成电能。热能量源种类多样，从体热（几十uW/cm²的功率密度）到高炉排气烟囱（其表面可产生几十mW/cm²的功率密度）各不相同。
•压电器件可以通过器件的压缩或弯曲产生能量。压电器件的功率密度一般在几百Uw/cm²（取决于其尺寸和结构）。
•RF能量收集由天线来完成，可产生几百pW/cm²的功率密度。
图1：能源及可产生的能量
图2所示为一个完整的能量收集系统，它包括能量源、转换器、一个能量储存元件以及将该储能元件转化为可用稳定电压的设备。其中，能量源与储能元件之间的高效整流器网络的作用是将能量回馈到能量源中，且在压电器件应用中还起到整流的作用。
图2：完整的能量收集系统框图
说了那么多，能量收集和编码器又有什么关系呢？传统的电机控制往往具有大功率、高功耗的特点，与追求极致效率的当代应用相违和，而这一现象就是源于绝对值编码器。
绝对值编码器的光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排。且在每一个位置上，编码器都通过读取每道刻线的通、暗，从而获得一组从2的零次方，再到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），并称之为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、外界干扰的影响。
绝对值旋转单圈绝对值编码器，则是以转动中测量光电码盘各道刻线，来获取唯一的编码；当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，因此这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量（即单圈编码器）。如果想要测量超过360°的范围，就需要用到多圈编码器。下图3中就展示了现在常见的两种多圈编码器：
图3：机械式和备电式编码器的比较
机械式多圈编码器的原理类似于机械式钟表，通过齿轮组记录转过的位置测量，这是一种被动式的、无需供电的方案，当然也是免“维护”的。基于塑料齿轮组，其精度与齿轮组的复杂程度也有关，而且往往达不到很高的精确度（机械手表的价格虽然昂贵，但其精度要比石英手表差很多），例如35 mm直径的产品中一般只能做到12 bit。并且由于塑料材质的限制，其最高工作温度被控制在85°C，所以无需“维护”是指一旦齿轮组上的齿轮出现断齿或过度磨损，在更换的过程中往往不能保证所记录的位置量不被改写。当然，塑料齿轮的使用寿命也是一个不得不考虑的问题。但必须承认的是，机械式编码器的EMC指标肯定是最好的。
备电池式的编码器是通过安装在编码器上的电池来供电的（一般安装在编码器电缆上）。绝对位置量被记录在由电池供电的计数器中，相较于机械式编码器，备电池式可以在同等体积上得到更高的分辨精度（取决于计数器的容量）。工作温度也被限制在85°C：电池的工作寿命同样受到10度法则的限制，为了获得更长的续航时间，必须限制工作温度。
现在国内的绝对值应用中备电池式编码器占据较大的份额，主要是因为其具有较高的精度和良好的成本。但是国内很多高端伺服系统的制造先驱们已经意识到备电池式编码器会让他们面临大面积更换电池的情况，所以一种免电池的需求就顺势产生了。
下面给出基于一种能量收集技术的绝对值编码器方案。
图4：基于一种能量收集技术的绝对值编码器方案
从图4中可以看到，这是一种基于电磁能量收集技术的方案，业内称之为Wiegand技术（Wiegand是这个专利技术的发明者）。这项技术的核心内容是利用安装在编码器内的线圈，在电机转动的时，对磁场进行切割并产生微弱电流，再经过高效整流桥后为内存供电。其拓扑类似图2所示，但不包括储能元件，这主要是因为编码器的小体积和储能器件无法兼容。另外，该技术所采用的特殊内存在sleep模式下无需要供电，从而解决了储能的问题。
维根技术的编码器作为一个免维护、高精度方案适合用在CNC等对位置精度要求较高的应用上，且在合理的电磁保护下，可以为客户节省下较大的维护成本。
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