目前市場上商家宣稱的“絕對值多圈編碼器”，其實有多種內部原理，其中有兩種事實上并不是完整的全行程絕對值編碼。需要了解它們使用的局限性，在哪些場合是不可以使用的。

去年底公眾號 《智造商》麥總發了一篇文章《幾種不同類型的絕對值編碼器》（點擊讀取），我在文后留言了，該文中介紹的有兩種不是“絕對值編碼器”，一種是有計數器+電池記憶的，另一種是有計數器+韋根脈沖微能量記憶的，這兩種編碼器出廠時內部的絕對值編碼并不完整，其編碼僅僅是單圈絕對值編碼，而多圈是依賴用戶使用后計數器對圈數累加，而獲得更多的增量圈數位置編碼，并記憶保存的，那顯然是增量式原理了。

嚴肅講這種內部有計數器+記憶的方式，是“偽絕對多圈編碼器”技術，我們也稱之為“電子多圈”技術。這個問題在市場上還有很多爭議，賣這些電子多圈編碼器的很多都是進口品牌，與全行程真絕對值編碼的多圈絕對值編碼器比較，在標識上幾乎沒有區別，混在一起銷售了，很多用戶由于對進口品牌的信任，而并不清楚其中的在多圈編碼上是否絕對值編碼的“真”“偽”，而它們因其內部原理的不同，使用的場合也是不相同，如果用戶不清楚而不當使用，將會造成不必要的損失。另外，電子多圈編碼器相較于齒輪箱真絕對值多圈編碼器的成本更低，如果不加以區分不給用戶有知情權，混在一起銷售，那是一種不公平的不正當競爭。

另一方面，由于電子多圈計數器加記憶型的編碼器，相較于機械齒輪箱式的真絕對值多圈編碼器而言，少了齒輪箱傳感器組，成本低，體積小，作為小型伺服電機上的編碼器應用，仍然還是受到了不少用戶的認可，尤其是在小型日系伺服電機幾乎都是這種電子多圈編碼器。一年來不斷有網友也想了解這兩種技術，或者開發這兩類電子多圈產品，來問我這兩種編碼器的原理與它們之間的比較，哪個會好一點？在今年上海電子展上和上海工博會上，也有芯片模塊廠家和編碼器生產廠家都同時展示了這兩種不同方式的電子多圈編碼器，我也跟參展的廠家作了一些交流。大家也都在議論，電池記憶的與韋根脈沖微能量記憶的，究竟哪個稍好一點呢？

 

一、絕對值編碼的定義與意義

1、完整的全行程預先編碼的唯一性：編碼器內部編碼已預先有大數據編碼，在整個規定的測量行程中，每一個位置是唯一性的編碼，在使用后不會再產生新的編碼。

2、與歷史無關：與時間軸無關，無需計數過程，任何時間讀取或者不讀取都可以根據數據下游指令，可直接一次輸出與時間軸無關的編碼大數據。

3、最大的容錯性：無計數過程，無記憶與再讀取過程，也就是意味著無需考慮計數起始點、停電、以及停電后是否再有移動，也無需擔憂在任何時候的干擾，干擾后是否還能恢復到真實的編碼角度信息輸出——所有的編碼預先編好了，不會再產生新的編碼，只與編碼器轉軸運動位置有關（與是否斷電無關），外部的干擾也無法改變原始編碼值。

二、計數器的電子多圈技術 

1、一種單圈絕對值編碼，多圈增量計數。在360度范圍內是絕對值的，超過360度后回零，并以計數器的增減來增加多圈編碼器的編碼。也就是多圈數據原始編碼沒有，而是從寄存器里調取并在使用時通過`計數器獲得新的編碼。

2、以時鐘表盤舉例，這種電子多圈編碼器只有一根表針，當經過12點后就回零，在經過12時，數值一下子從最大到最小，電子計數器根據前后兩次讀取的數值比較（歷史關系比較），由大突變為小（下降沿），邏輯判斷圈數增加了1；數值的由小突變為大（上升沿），邏輯判斷圈數減少了1。計數器寄存。

3、由于我們已經清楚，本文題目上這兩種偽絕對值多圈屬于“電子多圈”計數器性質，不符合上面的第1與第2條,因而不能稱為“絕對值編碼”，我把它們稱為“偽絕對值”。下面我們對這兩種電子多圈技術的比較,重點將是在”容錯性” 上的比較。

 

三、電池記憶電子多圈技術的原理及容錯性

在本公眾號《您買了假絕對值編碼器嗎？您的知情權被忽視了嗎？——扒一扒偽絕對編碼器》一文中，我已有對電池記憶原理的電子多圈有表述。可回頭點擊讀取該文。

這里重點講講零點分界線、電池記憶技術的電源低功耗管理與電池能量計算。

1、讀數的可靠性問題：電池記憶多圈技術主要是光學單圈絕對值碼盤，通過兩次先后的讀取，判斷是否過零點分界線。這里光學碼盤的零點刻線是穩定的，分界線清晰的，關鍵是在過零點分界線前的最后一次讀數的可靠性，和過零點分界線后的第一次讀數的可靠性，依賴于這兩次讀數的邏輯關系，而判斷多圈的圈數是增還是減，或者不變。零點分界線的穩定清晰，兩次讀取的讀數準確性，成了這種計數器容錯性的最大考量。當突然斷電時或者有較大的干擾時，編碼器的位置正好在零點位置及附近時，兩次讀數比較會產生反向抖動，這個問題就會比較突出。

2、能量管理問題：斷電后，單圈光學碼盤的讀取可靠，需要有穩定的電池電源給光源供電，給感應傳感器供電，而長時間的斷電待機狀態下，備用電池的電能很快就會耗盡。因此，這種技術需要有低功耗電源分配管理技術，既要保證光源與傳感器的供電穩定，又要保持電池能量節約以維持長時間待機，往往采取一種間隙式供電策略。供電時間占空比、供電啟動與暫停所帶來的電源波動對光源與傳感器讀取的影響，供電工作占空比與待機時間的權衡，外部電源供電與內部電池供電的切換時對光源與傳感器讀取的影響，等等。例如突然的斷電，或者開機通電時的電源管理，是否會因供電的抖動，在零點分界線附近的讀數反向抖動，易造成過零點分界線的計圈判斷的失敗。

3、對電池能量的計算：對長時間待機或者電池壽命將盡時，對電池能量需作計算判斷，以報警提示需要更換電池，以及因供電能量的不足而可能讀取并計圈的失敗。

4、電池本身的問題：在編碼器內部的電池因容量較小，待機時間有限。而引線到外部的電池，容量雖然大了，但是引線接插件等故障可能性增加，對于抗振動環境有影響。電池的溫度范圍——不可逆性失效與可逆性供電不穩定。從目前的資料看，儲存與工作溫度不得大于100℃（不可逆失效），可逆性高低溫參數（供電不穩定）沒有看到資料描述。

從大部分電池低溫性能較差判斷，不適于戶外場合。尤其是，不適于較長斷電待機且戶外（無空調）的場合，例如水閘開度、起重與港口機械、工程機械、風電與太陽能（戶外場合）等等，應該避免使用。

日系編碼器廠家確實也說明了，這類編碼器適用于小型伺服電機、小型機械手臂和機器人。而沒有指明可在較大型設備上以及有高低移動下沉、有位能變化的位置閉環場合下適用。

 

四、韋根脈沖微能量記憶多圈技術的原理及容錯性

韋根脈沖微能量記憶的原理，在《您買了假絕對值編碼器嗎？您的知情權被忽視了嗎？——扒一扒偽絕對編碼器》（點擊讀取）一文中也有表述，這里不再啰嗦。

重點講講磁電式編碼器的零點位置模糊性，韋根自發電能量大小的不確定性，韋根微能量儲量的不確定性。

1、磁場零點不確定性：磁電式單圈絕對值編碼器與光學編碼器比，磁場零點位置分界線是模糊的，而且更糟糕的是還不穩定。例如編碼器內部及印制板上的電氣元器件的磁化、退磁，灰塵金屬屑的對空間電磁場分布的擾動，外部電磁場的擾動等，在通電狀態下，可以有四個正交的磁電感應器做差分共模干擾消除，但是在斷電狀態下，僅依賴于2個韋根感應器對過零點的感應判斷，一旦停在磁場零點附近，磁場反向擾動時過零點計圈的邏輯判斷在低功耗狀態下的準確性令人生疑。

2、韋根自發電電流及能量的不確定性：根據能量守恒定律，停電后韋根絲發電的能量來之于編碼器轉軸的動能，停電后轉軸速度動能是未知的，并不確定的，長時間待機后計數器能量是僅僅就靠韋根自發電，還是依賴于前面存儲的能量，如果是存儲的能量能待機維持多久？這種斷電后的自發電電流與能量儲備是不確定的，韋根廠家沒有給答案。

3、斷電后在磁場零點附近的輕微抖動，動能極為有限，每次抖動因此轉換的韋根微發電能量究竟是否能夠正好達到計數器工作？如果依賴存儲能量在長期停電待機后，能夠保持維持多久？

4、與電池供電不同，韋根微能量是否能足夠保證正確計數，以及計數器如果有錯如何判斷、檢出并報警？在這一點上韋根做得還不如電池，如果已經是錯誤的數據了，使用者卻無法知道這是錯誤數據，而且因為宣傳上它是“沒有電池的，絕對值的”，用戶出于對絕對值編碼器的信任，會繼續使用錯誤的數據，而有可能造成事故發生概率。對這樣的問題，韋根編碼器廠家以模糊的“專利技術”搪塞，而從未做正面回答。韋根專利技術的哪些受保護內容、保護期限、哪些已是公開技術無需專利，均未在資料上見到。

5、新的據稱EMC已經成熟的韋根編碼器入市時間較短，數量累計還不夠多，問題雖已有少量暴露，但還沒有引起足夠的警惕性。據市場未經證實的反饋意見，韋根多圈編碼器在交貨時，中國市場上因進口編碼器出廠經運輸及中間環節，以及中國市場很多項目周期長，中間的斷電待機時間較長，大約有不到1%左右的數量編碼器在使用時已發現有計圈錯誤，而需更換。

由于有較多的未知不確定性，不建議韋根電子多圈編碼器用在對于可靠性要求高的場合，需要評估因數據失敗去現場檢查并更換編碼器，所帶來的損失有多大。

尤其是，不適于較長斷電待機且戶外（無空調）的場合，例如水閘開度、起重與港口機械、工程機械、風電與太陽能（戶外場合）等等，應該避免使用。

令人擔憂的是，由于韋根電子多圈編碼器沒有電池，在中國市場上宣傳的含糊性，常常與機械齒輪箱式的真絕對值多圈編碼器混在了一起銷售，而難以區分。有的商家在“絕對值多圈編碼器”上竟然有三種可能性難以向用戶明示區分：光學式的齒輪箱多圈絕對值編碼器（溫度范圍85度）、光學式的齒輪箱多圈編碼器（溫度范圍70度，相當于二等品，在戶外無空調環境下不可用）、磁電式的韋根電子多圈編碼器（在有上下位能變化場合下不可用），這三種同時有在銷售，用戶在采購時是否清楚究竟買的是哪一種？是否在自己使用的場合適用。

 

五、雙編碼器電子計數器，電池記憶的改進

在今年的上海工博會上，尼康公司展臺上展示了一種雙編碼器計圈數的方法，在征得尼康參展人員的同意下，我拍照了他們展示的圖片：

尼康展示了兩種型號，一種是單純的光學碼盤加電池，就是傳統的電池記憶模式。另一種是光學碼盤加電池與磁電式計圈同時集成的雙編碼器方案。

韋根電子多圈編碼器在進入中國市場時，其宣傳的賣點就是“沒有電池”，似乎沒有電池就更像是“絕對值編碼器”了。但是這樣的宣傳誤導了市場，其一是韋根電子多圈比電池記憶電子多圈好，其二是韋根電子多圈與機械齒輪箱真多圈編碼器的不加區分，直接當作多圈絕對值編碼器而蒙混用戶了。針對韋根的宣傳進攻，電池的代表尼康似乎也有了回應。就是光學與電磁式的雙原理計數圈數，增加容錯性與檢出，并申明用電池能量的“可確定性”。我們看看廠家宣傳上還有什么沒說的潛臺詞嗎？

1、電池記憶型的消費電流保持一定，那韋根的會怎么樣？不確定。

2、電池的能量及使用壽命可確定，需要更換電池時可以檢出而提前報警。韋根的能量獲得與存儲有不確定性。

3、光學與磁電兩種原理計數，可以避免同源性錯誤，磁電的錯誤不會影響光學的計數，光學的錯誤不會影響磁電的計數。兩種比較后如果不一致可以報警。

4、既然需要兩種原理計數器，說明了單一原理的計數器存在某種潛在錯誤故障。韋根編碼器是單一磁電原理的，事實上可能就是存在某種潛在錯誤！

5、如果單圈絕對值用光學碼盤，多圈計數器用韋根，由于光學碼盤的工作需要給光源與傳感器供電，韋根的微能量不足以供電，仍然需要電池提供斷電后的能量。還是需要有電池。

因此，尼康改進型用光學與磁電兩種模式的雙編碼器計數器，可以相互檢出可能的故障并報警。

（請等一等，那錯誤報警意味著兩種方法檢出的數據有不同，又如何判斷哪一種是對的？停機檢查。容錯安全性有了，但是效率還是沒有。）

 

六、假如你想做這兩類電子多圈產品，我給你的忠告

十多年前我計劃國產化絕對值多圈編碼器時，當時也收集了電池記憶型和韋根編碼器（當時已有報道）資料，以及與機械齒輪箱式絕對值多圈編碼器的比較，最終判定前兩種是偽絕對值編碼，不徹底的多圈絕對值，國產化沒有太大意義去做它們而放棄了。專心于機械齒輪箱絕對值多圈編碼器的國產化。但這十幾年因小型伺服電機的迅猛發展，機械齒輪箱式多圈絕對值編碼器因體積大、成本高，在小型伺服電機上普遍沒有被采納。小型伺服電機用戶更傾向于電池記憶式，或者也有少量考慮用韋根多圈式。有網友希望能開發這兩種電子多圈編碼器，與我交流有什么樣的瓶頸，需要注意些什么。

1、電池記憶式：相比較而言，日系電池記憶式的技術應用較久，在小型電機上的使用也已較為成熟，關鍵在于低功耗電源分配及穩定的管理技術。并不是連上個電池那么簡單。電池容量是有限的，斷電待機時間長，電池很快就會耗盡。所以核心技術是在斷電后的低功耗電源分配管理，以及通電與斷電的切換時的錯誤屏蔽。日本工業在電子手表上已積累有四十年的低功耗電源管理經驗，因此日系編碼器也是利用日本在這個方面的資源優勢，而重點發展了電池低功耗記憶型。如果國產化也要做，我們目前的現有技術缺少，涉及到低功耗且穩定的光源LED、低功耗且保持穩定精度的傳感器、低功耗電源管理芯片這三個在供應鏈上需進口元器件，或者國產化逐一突破。

2、韋根多圈式：磁場零點位置的可確定穩定性。同樣國產化在供應鏈上的瓶頸。據稱韋根編碼器的專利在國外公司A家手上，但專利的保護內容與保護期限均未查到。核心元器件韋根絲加工生產，為另外一家國外公司 B家買下，如需采購又需從僅此一家的B家采購，但B家自己也在主推成品韋根編碼器，它既可能是你供應商，也可能是你競爭對手。而韋根計數器及微能量管理儲存的芯片是有第三家國外公司C家提供，僅此一家的芯片技術可較好的商用化，其錯誤故障率較低。如果需要做韋根多圈編碼器，命運掌握在進口供應鏈上這ABC三家國外公司手上，不可缺一。

另一家的芯片方案

3、由于國產化在供應鏈上有目前難以逾越的瓶頸，供應鏈上都需要從多家國外公司分別采購元器件芯片，而獲得的成果還不是真正的絕對值編碼，僅僅有停電記憶功能，卻不能保證記憶的數據的準確度，因此我早早放棄了這兩個做國產化的方案。如果有人還是想去做，我已在上面給出了提醒忠告。

 

我給大家推薦的是機械齒輪箱真絕對值編碼的多圈絕對值編碼器。

絕對值編碼器不僅僅是“停電記憶”，其更重要的意義是因為預先全編碼的唯一性、最大的容錯性，以及所帶來的最大的可靠性。而電子多圈技術盡管在有些場合也用得不錯，但是在大量使用下，單個再小的出錯概率數量，也會因使用數量大而累積出錯概率，而影響到整個生產線的故障停機，甚至造成事故的發生。

 

七、對機械齒輪箱真絕對值編碼器的疑問解答

在有上下移動的有位能變化的位置閉環場合，應該嚴禁使用電子多圈式偽絕對值編碼器。

因為在停電后由于物體的重量下沉，靠停電記憶的偽絕對值編碼是靠不住的，容易出現事故。必須使用真絕對值編碼器。

關于一些機械齒輪箱絕對值多圈編碼器的疑問：

1、機械齒輪箱絕對值多圈編碼器沒能進入小型伺服電機，原因是體積較大，成本價高，轉速響應不夠快（多組傳感器的融合刷新，限制了高轉速）。但是機械齒輪箱式絕對值多圈編碼器已用于較大型的伺服電機（異步伺服）上。

2、機械齒輪箱絕對值多圈編碼器的多圈編碼，是與單圈編碼整體性編碼的，單、多圈編碼整體性不可分割，而并不是單圈編碼+“多圈計數”。成熟的多圈絕對值技術在單圈、多圈完整編碼時已經考慮了容錯性，包括齒輪箱齒牙的背隙。可參見我公眾號的第一篇文章《編碼器基礎~格雷碼的編碼美學》。

3、機械齒輪箱多圈絕對值編碼器的碼盤有光學式的，有磁電式的，也有兩種原理混合式的，只要符合全行程唯一性編碼及容錯性整體編碼原則，各種原理均可實現多圈絕對值編碼，只是光學單圈碼盤的精度更高，磁電式抗振動抗水汽灰塵更好。并不存在磁電式抗電磁干擾較差的說法，SICK的ATM60是全磁電式的，十多年來大量用于起重、港口機械等較大設備；GEMPLE的全磁電式多圈編碼器也已用于核磁共振醫療設備，在現場磁場強度達到了1.5T強磁場干擾下，未發生一例因磁場干擾而編碼失效。

4、機械齒輪箱多圈編碼器的齒輪材質絕大部分是工程塑料，因為編碼器的碼盤是感應式讀取，轉軸力矩負載很小，齒牙的磨損也很小，設計壽命均超過十年。而金屬齒輪需外表面經過特殊表面處理才能使用，如無特殊處理硬化，磨出來的金屬微屑進入齒輪箱空間將改變空間電磁場分布，而帶來讀數的不確定性。如果沒有較好的金屬表面處理技術，我不建議用金屬齒輪。

5、最后再次放上真絕對值編碼的多圈絕對值編碼器的意義

絕對值編碼器并不是只是“停電記憶”，

而是 固有的唯一性編碼

最大的容錯性

最高的可靠性

由于目前市場上“真”“偽”絕對值多圈編碼器的不加區分，當你計劃采購“絕對值多圈編碼器”時，最好向銷售商家（廠家）了解一下其內部的多圈原理，是否只是電子多圈而非真絕對值編碼（全行程），以判斷是否在你的應用場合合適。

本文僅代表作者個人觀點，基于作者二十多年在絕對值多圈編碼器上的經驗，及幾家編碼器廠家在網站與展會上展示的內容。但由于市場上某些編碼器商家（廠家）提供的資料很有限，甚至有些躲躲閃閃的，本文章采集資料及分析表述難免有局限性。用戶如需進一步了解，請向提供“多圈編碼器”產品的廠家咨詢、澄清。

文章部分引用了公眾號《智造商》麥總的資料，在此表示感謝。

文章部分引用了尼康公司在上海工博會上展示的圖片，在拍攝時已征得尼康參展商人員的同意，在此對尼康公司表示感謝。