マルチターンエンコーダーが重要な理由とその使用方法

マルチターンエンコーダーとは？

マルチターンエンコーダーは、回転シャフトの位置を0°～360°の1回転で追跡するだけでなく、フル回転の数も追跡する回転エンコーダーのタイプです。シングルターンエンコーダーは、回転ごとにその出力を繰り返すのに対し、マルチターンエンコーダーは全回転と現在の回転内の絶対位置を追跡します。

多くのモーションシステムでは、単一の360°回転内のシャフト角度を知ることは、全体像のごく一部にすぎません。経時的な位置を真に追跡するには、シャフトが何回回転したか、特にその回転が直線運動、ギアリング、またはより大きなシステムの動きにリンクされた時を知る必要がある場合が多々あります。そこで登場したのがマルチターンエンコーダーです。

1ターン以上を追跡することが大切な理由

もしお持ちのエンコーダーが0°から360°までしか対応できない場合、「ソフトウェアで回転を追跡するだけ」と思うかもしれません。理論的には、位置が359°から0°、またはその逆にロールオーバーするタイミングを監視し、カウンタを増減させればよいのですが、実際には、これはすぐに混乱します。

• サンプルの欠落、電力のグリッチ、または短い通信損失は、ターンカウントを見失ってしまう可能性があります。
• ノイズと振動によって位置の読み取りが不正確になり、誤った回転検出につながる可能性があります。
• 0°/360°境界付近の急速な反転は、ロールオーバーのロジックを混乱させ、累積エラーを引き起こす可能性があります。

ソフトウェアで回転を手動で追跡するには、多くの場合、適切な処理を行うためには広範なフィルタリングとチューニングを要します。それでも、カウントを見失うことはよくあります。

マルチターン・アブソリュート・エンコーダーは、ハードウェアレベルでこの問題を解決します。シャフトの角度に合わせて更新される内部回転カウンタを保持し、当て推量なしで位置の完全な画像を提供します。

マルチターンエンコーダーを必要とする現実のシナリオ

シングルターンフィードバックだけでは不十分で、マルチターンエンコーダーが必要な一般的な例をいくつかご紹介します。

• ギアまたはベルト減速ドライブ： モータが各出力シャフト回転で10回転する場合は、最終角度だけでなく、10回転を追跡する必要があります。
• ボールスクリューとリードスクリュー： 回転はそれぞれが固定直線距離に変換されます。回転の軌跡を失うことは、位置の軌跡を失うことを意味します。
• ラックシステムとピニオンシステム： 回転入力は、連続的な直線移動を推進します。どれだけ移動したかを知るためには、シャフトの全回転数をカウントすることを意味します。
• ロボティクスまたはオートメーションの回転軸： 回転プラットフォーム、ジョイント、またはタレットの場合、累積回転を知ることは、モーションコントロールと衝突回避のために重要です。

システムが360°以上移動する場合、マルチターンエンコーダーはソフトウェアの複雑さを軽減し、信頼性を高めることができます。

マルチターンエンコーダーの仕組み

マルチターンエンコーダーは、1回転以内の微細な角度分解能と、信頼性の高いフルシャフト回転数の2つの重要な機能を組み合わせています。

角度検知は通常、静電容量、磁気、光学検出などの技術を使用して処理され、0°～360°以内のシャフトの位置を正確に決定できます。

回転数を追跡するために、マルチターンエンコーダーには、シャフトが全回転を完了するたびに増減する内部カウンタが含まれています。このカウンタは角度読み取りと同期され、絶対マルチターン位置の値を提供します。

エンコーダーの種類に応じて、ターンカウントは（ギアを介して）機械的に、（Wiegandワイヤパルスエネルギーを介して）磁気的に、または（一定の電力を要する）デジタル的に処理できます。後者のアプローチを使用するシステムは、多くの場合、ソフトウェア戦略または小さなバッテリーバックアップを通じて、ターンカウントを維持するために電源の連続性を確保する必要があります。

スタートアップ時にマルチターンエンコーダーはどうなりますか？

マルチターンエンコーダーのパワーアップリセットを回避するには、以下のような一般的な戦略があります。

• ホームスイッチまたはリミットスイッチの使用： 電源投入時、システムは既知の機械的基準点に移動し、そこから位置をリセットします。
• 最後の既知の値を保存： システムにホストコントローラまたは外部メモリが含まれている場合は、最後の既知の角度とターンカウントを格納できます。再起動後、シャフトが動かない限り、その位置を再度適用します。
• 立上げ時にシャフトをロック： 計画シャットダウンまたは超低消費電力スタンバイモードでは、シャフトを所定の位置に物理的にロックし、スタートアップ時に保存されたエンコーダーの値を再ロードできます。エンコーダーの角度とターンカウントが以前に保存されたものと一致するため、位置は復元されます。移動もエラーもありません。このアプローチは、アイドル状態でモーションが無効になっているバッテリ駆動システムや設置で特に有用です。
• 許容できる回転損失の設計： 場合によっては、絶対マルチターン位置は、電源サイクル全体で重要ではありません。システムが起動時に安全に再初期化された場合、または外部センサーに基づいて再キャリブレーションされた場合、リセットを許容できる場合があります。

Same Skyの静電容量式AMTエンコーダーは、通常、わずか～80mWの消費電力で、低消費電力のアプリケーションに最適です。比較：

• 磁気エンコーダーは通常、150mW～500mWの範囲の電力を消費します。
• 光学エンコーダーは、特に高解像度や光源ベースの設計で、200mWから1W以上までを消費することがよくあります。

これにより、容量性エンコーダーは、ミリワット単位で考慮されるような組み込み、バッテリー駆動、または電力を考慮するシステムで特に魅力的なものとなります。静電容量式エンコーダー、光学式エンコーダー、磁気エンコーダーの詳細な比較については、エンコーダー各種技術の比較のブログをご覧ください。

マルチターンエンコーダーの統合に関する考慮事項

マルチターンエンコーダーは、SPIやRS-485などのインターフェイスで使用できます。正確な通信プロトコルはそれぞれ異なりますが、ほとんどが少量のバイトやコマンドを使用して角度位置とターンカウントの両方を簡単に読み取れるようにします。Same SkyのAMTエンコーダーのコマンドは、それぞれのデータシートに記載されています。また、Arduinoからマルチターン機能にアクセスする方法を示すサンプルコードチュートリアルもあります。

統合は簡単ですが、エンコーダーの起動動作に関するシステムを設計することが鍵となります。

マルチターンエンコーダーを選択するタイミング

以下のようなアプリケーションでは、マルチターンエンコーダーのメリットが増大します。

• 1回転以上の位置追跡が必要
• 回転運動を直線移動に変換する
• 高いギア比を使用する
• 最小限のソフトウェアフィルタリングで絶対的な位置が必要
• よりシンプルで堅牢なスタートアップロジックによるメリット

Same SkyのAMTアブソリュート・エンコーダーには、SPIとRS-485インターフェイスを備えたコンパクトなマルチターンオプションがあります。エンベデッドシステム向けに設計されており、低消費電力、モジュール型マウント、シンプルなデジタル通信を提供します。複数の回転にわたって絶対的な追跡を必要とするモーションシステムに最適です（電源投入時のリセットを適切に管理してください）。アブソリュート・エンコーダーの詳細については、ブログ、アブソリュート・エンコーダーが設計に最適な場合をご覧ください。

回転カウンタを保存するためのバッテリーバックアップを使用する

アプリケーションが電源サイクル中に回転カウンタを失うことを許容できない場合、バッテリーのバックアップは最も信頼性の高いソリューションの1つです。このアプローチは、再キャリブレーションや外部センサーに依存するのではなく、システム電力の短期または長期の損失中にエンコーダーに電力を供給し続けるだけです。Same SkyのAMTエンコーダーはわずか～80mWしか消費しないため、バッテリーのバックアップ動作に非常に適しています。

結論

マルチターンエンコーダーは、内部で全回転を追跡し、ソフトウェアのオーバーヘッドを削減し、位置データが幅広い機械システムにわたって正確であることを確保することで、モーションコントロールを簡素化します。これにより、信頼性が高くスケーラブルなモーションシステムを設計するエンジニアにとって貴重なツールとなります。Same SkyのAMTアブソリュートマルチターンエンコーダーは、2mmから5/8インチ（15.875mm）までのモータシャフトサイズをサポートしているので、設計者は位置検出のニーズに柔軟に対応できます。

主な取り組み

• マルチターンエンコーダーは、360°ごとにリセットするシングルターンエンコーダーとは異なり、複数のシャフト回転にわたって絶対位置のフィードバックを提供します。
• ソフトウェアの回転追跡は、サンプルの欠落、電力のグリッチ、ノイズによりエラーが頻繁に発生します。この問題を解決するのが、ハードウェアベースのマルチターンエンコーダーです。
• マルチターンエンコーダーを必要とするアプリケーションには、ギア減速ドライブ、ボールスクリュー、ラックシステムとピニオンシステム、オートメーションやロボティクスの回転軸などがあります。
• 位置保持のための効果的なスタートアップソリューションには、原点復帰スイッチ、保存位置リコール、シャフトロック、または安全な再初期化のための設計が含まれます。
• マルチターンエンコーダーは、機械式、磁気式、またはデジタル方式を使用して全回転をカウントできます。
• デジタルターンカウントには、バッテリバックアップやスタートアップの再キャリブレーションなど、電力損失時に状態を維持するための戦略が必要です。
• 停電時にターンカウントの持続性が重要な場合、バッテリーのバックアップは信頼性の高いオプションです。
• Same SkyのAMTシリーズなどの容量性マルチターンエンコーダーは、超低消費電力（～80 mW）で、組み込み設計にもバッテリー駆動設計にも最適です。
• システムが1回転以上の動きを追跡する必要がある場合、ロータリーをリニアモーションに変換する必要がある場合、または単純で堅牢な位置制御の恩恵を受ける可能性がある場合は、マルチターンエンコーダーを選択します。