時間:2016-10-31 17:32:32來源:深圳市世強先進(jìn)科技有限公司
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,電子電路已能在微瓦功率級別上工作,因此以就地取電和電池為代表的非傳統(tǒng)電源供電成為了可能。但,電池往往有著使用不方便,無法更換,甚至存在安全隱患等缺點,因此進(jìn)一步催生了能量收集(Energy Harvesting)技術(shù)。
環(huán)境能量源
環(huán)境能量源包括光、溫差、振動梁、射頻(RF)發(fā)射信號或其他能夠通過某種換能器產(chǎn)生電荷的信號。例如:
•人們采用小型太陽能電池板為手持設(shè)備供電。此類電池板在陽光直射和間接光照射的情況下可以產(chǎn)生幾百mW/cm²和幾百uW/cm²的功率密度。
•在存在溫度差的時候,塞貝克(Seebeck)器件可將熱能轉(zhuǎn)換成電能。熱能量源種類多樣,從體熱(幾十uW/cm²的功率密度)到高爐排氣煙囪(其表面可產(chǎn)生幾十mW/cm²的功率密度)各不相同。
•壓電器件可以通過器件的壓縮或彎曲產(chǎn)生能量。壓電器件的功率密度一般在幾百Uw/cm²(取決于其尺寸和結(jié)構(gòu))。
•RF能量收集由天線來完成,可產(chǎn)生幾百pW/cm²的功率密度。
圖1:能源及可產(chǎn)生的能量
圖2所示為一個完整的能量收集系統(tǒng),它包括能量源、轉(zhuǎn)換器、一個能量儲存元件以及將該儲能元件轉(zhuǎn)化為可用穩(wěn)定電壓的設(shè)備。其中,能量源與儲能元件之間的高效整流器網(wǎng)絡(luò)的作用是將能量回饋到能量源中,且在壓電器件應(yīng)用中還起到整流的作用。
圖2:完整的能量收集系統(tǒng)框圖
說了那么多,能量收集和編碼器又有什么關(guān)系呢?傳統(tǒng)的電機(jī)控制往往具有大功率、高功耗的特點,與追求極致效率的當(dāng)代應(yīng)用相違和,而這一現(xiàn)象就是源于絕對值編碼器。
絕對值編碼器的光碼盤上有許多道光通道刻線,每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排。且在每一個位置上,編碼器都通過讀取每道刻線的通、暗,從而獲得一組從2的零次方,再到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼(格雷碼),并稱之為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機(jī)械位置決定的,它不受停電、外界干擾的影響。
絕對值旋轉(zhuǎn)單圈絕對值編碼器,則是以轉(zhuǎn)動中測量光電碼盤各道刻線,來獲取唯一的編碼;當(dāng)轉(zhuǎn)動超過360度時,編碼又回到原點,這樣就不符合絕對編碼唯一的原則,因此這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量(即單圈編碼器)。如果想要測量超過360°的范圍,就需要用到多圈編碼器。下圖3中就展示了現(xiàn)在常見的兩種多圈編碼器:
圖3:機(jī)械式和備電式編碼器的比較
機(jī)械式多圈編碼器的原理類似于機(jī)械式鐘表,通過齒輪組記錄轉(zhuǎn)過的位置測量,這是一種被動式的、無需供電的方案,當(dāng)然也是免“維護(hù)”的?;谒芰淆X輪組,其精度與齒輪組的復(fù)雜程度也有關(guān),而且往往達(dá)不到很高的精確度(機(jī)械手表的價格雖然昂貴,但其精度要比石英手表差很多),例如35 mm直徑的產(chǎn)品中一般只能做到12 bit。并且由于塑料材質(zhì)的限制,其最高工作溫度被控制在85°C,所以無需“維護(hù)”是指一旦齒輪組上的齒輪出現(xiàn)斷齒或過度磨損,在更換的過程中往往不能保證所記錄的位置量不被改寫。當(dāng)然,塑料齒輪的使用壽命也是一個不得不考慮的問題。但必須承認(rèn)的是,機(jī)械式編碼器的EMC指標(biāo)肯定是最好的。
備電池式的編碼器是通過安裝在編碼器上的電池來供電的(一般安裝在編碼器電纜上)。絕對位置量被記錄在由電池供電的計數(shù)器中,相較于機(jī)械式編碼器,備電池式可以在同等體積上得到更高的分辨精度(取決于計數(shù)器的容量)。工作溫度也被限制在85°C:電池的工作壽命同樣受到10度法則的限制,為了獲得更長的續(xù)航時間,必須限制工作溫度。
現(xiàn)在國內(nèi)的絕對值應(yīng)用中備電池式編碼器占據(jù)較大的份額,主要是因為其具有較高的精度和良好的成本。但是國內(nèi)很多高端伺服系統(tǒng)的制造先驅(qū)們已經(jīng)意識到備電池式編碼器會讓他們面臨大面積更換電池的情況,所以一種免電池的需求就順勢產(chǎn)生了。
下面給出基于一種能量收集技術(shù)的絕對值編碼器方案。
圖4:基于一種能量收集技術(shù)的絕對值編碼器方案
從圖4中可以看到,這是一種基于電磁能量收集技術(shù)的方案,業(yè)內(nèi)稱之為Wiegand技術(shù)(Wiegand是這個專利技術(shù)的發(fā)明者)。這項技術(shù)的核心內(nèi)容是利用安裝在編碼器內(nèi)的線圈,在電機(jī)轉(zhuǎn)動的時,對磁場進(jìn)行切割并產(chǎn)生微弱電流,再經(jīng)過高效整流橋后為內(nèi)存供電。其拓?fù)漕愃茍D2所示,但不包括儲能元件,這主要是因為編碼器的小體積和儲能器件無法兼容。另外,該技術(shù)所采用的特殊內(nèi)存在sleep模式下無需要供電,從而解決了儲能的問題。
維根技術(shù)的編碼器作為一個免維護(hù)、高精度方案適合用在CNC等對位置精度要求較高的應(yīng)用上,且在合理的電磁保護(hù)下,可以為客戶節(jié)省下較大的維護(hù)成本。
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