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(jí)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(wú)法更換，甚至存在安全隱患等缺點(diǎn)，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(dòng)梁、射頻(RF)發(fā)射信號(hào)或其他能夠通過(guò)某種換能器產(chǎn)生電荷的信號(hào)。例如：

•人們采用小型太陽(yáng)能電池板為手持設(shè)備供電。此類電池板在陽(yáng)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(shí)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(guò)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(lái)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(gè)完整的能量收集系統(tǒng)，它包括能量源、轉(zhuǎn)換器、一個(gè)能量?jī)?chǔ)存元件以及將該儲(chǔ)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(chǔ)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(shuō)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(diǎn)，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(duì)值編碼器。

絕對(duì)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(gè)位置上，編碼器都通過(guò)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(duì)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(duì)值旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)值編碼器，則是以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光電碼盤各道刻線，來(lái)獲取唯一的編碼；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對(duì)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(cè)量（即單圈編碼器）。如果想要測(cè)量超過(guò)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(jiàn)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(guò)齒輪組記錄轉(zhuǎn)過(guò)的位置測(cè)量，這是一種被動(dòng)式的、無(wú)需供電的方案，當(dāng)然也是免“維護(hù)”的。基于塑料齒輪組，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(jià)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(wú)需“維護(hù)”是指一旦齒輪組上的齒輪出現(xiàn)斷齒或過(guò)度磨損，在更換的過(guò)程中往往不能保證所記錄的位置量不被改寫(xiě)。當(dāng)然，塑料齒輪的使用壽命也是一個(gè)不得不考慮的問(wèn)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(guò)安裝在編碼器上的電池來(lái)供電的（一般安裝在編碼器電纜上）。絕對(duì)位置量被記錄在由電池供電的計(jì)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(jì)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(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，必須限制工作溫度。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的絕對(duì)值應(yīng)用中備電池式編碼器占據(jù)較大的份額，主要是因?yàn)槠渚哂休^高的精度和良好的成本。但是國(guó)內(nèi)很多高端伺服系統(tǒng)的制造先驅(qū)們已經(jīng)意識(shí)到備電池式編碼器會(huì)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(shì)產(chǎn)生了。

下面給出基于一種能量收集技術(shù)的絕對(duì)值編碼器方案。

圖4：基于一種能量收集技術(shù)的絕對(duì)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(gè)專利技術(shù)的發(fā)明者）。這項(xiàng)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(dòng)的時(shí)，對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行切割并產(chǎn)生微弱電流，再經(jīng)過(guò)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(chǔ)能元件，這主要是因?yàn)榫幋a器的小體積和儲(chǔ)能器件無(wú)法兼容。另外，該技術(shù)所采用的特殊內(nèi)存在sleep模式下無(wú)需要供電，從而解決了儲(chǔ)能的問(wèn)題。

維根技術(shù)的編碼器作為一個(gè)免維護(hù)、高精度方案適合用在CNC等對(duì)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。