アブソリュートエンコーダが無給電時に回転数をどう記憶するかの選択は、モーションシステム設計で最も影響が大きく、しかも最も漫然と既定で済まされがちな決定の一つです。カタログには 3 つのアーキテクチャ——電池バッファ式電子カウンタ、エナジーハーベスト Wiegand 段、機械歯車式マルチターン——があり、電池バッファ式の経路では設計者はさらに電源そのもの、すなわち使い捨ての一次リチウム電池、充電式の化学電池、コンデンサを選ばねばなりません。この第 2 回では、マルチターンカウンタ向けの充電式ニッケル水素バックアップを構築し、それを飾らず各代替案と並べます。まずアーキテクチャ判断から入り、保守が必要でも電池バッファ式エンコーダが正解となる場所を示します。そのうえで、マイクロアンペア級の保持予算、軸に給電されるたびに充電式セルを満タンで待機させるトリクル／補充充電、達成できる無給電寿命を決める自己放電の計算、切替と低電池回路、広い温度範囲での挙動を順に扱います。意図的に正直に書きます。数年に一度しか給電されないエンコーダでは一次リチウム電池の低自己放電に勝つのは難しい一方、ほとんどの稼働日に給電される軸——サーボモーター、ロボット、工作機械の圧倒的多数の用途——では、きちんと管理された充電式 NiMH バックアップが計画的な一次電池交換を不要にし、使い捨てリチウムの廃棄を避け、マルチターンメモリを充電可能・監視済み・保守可能なサブシステムに変えます。
アーキテクチャの選択は化学電池の選択より先です。電池バッファ式電子マルチターンはコンパクトで、分解能を自由に設定でき、安価ですが、そのメモリの寿命は電源の寿命までです。エナジーハーベスト Wiegand 式マルチターンは、回転が計数を駆動するパルスを誘起するため外部セルが不要ですが、登録には動きが必要で、状態を約 10 年で劣化するコンデンサに保持します。機械歯車式マルチターンは回転を物理的に符号化し電気的メモリが不要ですが、それ自体に摩耗・トルク・バックラッシュを伴う歯車列を追加します。
主流の工場自動化——ほとんどの日に給電されるサーボモーター、位置決めステージ、倉庫・工作機械軸——では、分解能に柔軟で高速かつ安価な電池バッファ式設計が引き続き魅力的です。唯一の弱点である電源寿命も、よく設計された充電式バックアップで管理できます。本稿の残りはその設計を扱います。
バックアップの容量設計はアンペア時ではなく、エンコーダ ASIC が規定する保持電流（通常はマイクロアンペア域）に、選んだセルの自己放電を加えるところから始まります。無給電寿命は、使用可能容量をカウンタ電流と自己放電電流の合計で割り、低温と寿命末期分をディレーティングしたものです。自己放電がカウンタ自体の消費を上回ることが多いため、化学電池の充電保持特性は公称容量より重要です。自分の電荷をすぐに漏らす大きなセルは、小さくても安定したセルに勝りません。
密閉 NiMH セルは充電保持が着実に向上しており、低自己放電タイプは室温で 1 年経っても電荷の大部分を保持します。機械が動いているたびにエンコーダへトリクル補充していれば、これで十分です。最初のアニメーション図は、保持予算から検証済み保守間隔までのバックアップ設計フローを順に示し、自己放電項を隠さず明示します。
定期的に給電される軸で充電式バックアップの決定的な利点は、それを維持するために稼働中の 5 V または 24 V 給電を使えることです。充電管理経路がエンコーダ動作中に NiMH セルまたは小型パックを、制御された電流制限付き保守充電で補充するため、累積無給電時間にかかわらず、バックアップは毎回の無給電区間を満タンで迎えます。これは一次リチウム電池とは根本的に異なります。一次リチウムは基板上で交換不能な有限の貯蔵庫で、製造日からカウントダウンしているからです。
充電経路は控えめにします。NiMH は強い定電圧フロートではなく、低電流と温度監視で保守し、敏感な保持レールへ逆流給電したり負荷をかけたりしてはなりません。これをエンコーダチップ内蔵の給電切替と統合すると、主給電がアクティブなインターフェースに給電しつつバックアップを静かに補充し、主レールがないときはバックアップがカウンタだけに給電する、すっきりしたアーキテクチャになります。
信頼できる設計は、充電式電源をグリッチのない給電経路切替（望ましくはエンコーダ ASIC の統合切替）と組み合わせ、電源の状態を診断チャネルで公開します。最新チップの低電池フラグは予知保全データになります。機械が正常に動いているのにバックアップが繰り返し低いと判定されるなら、位置が失われるずっと前に、劣化セルか充電経路の異常を知らせます。
小さな冗長容量マージンと定められた保守間隔が、古典的な「N 年後に切れたコイン電池」故障を、計画的で観測可能な事象に変えます。OEM にとってこれは供給網上のメリットでもあります。バックアップは、進化する電池・廃棄物規制のもとで調達・在庫・廃棄しなければならない特定の一次リチウムコイン電池ではなく、標準的で交換可能な充電式部品になるからです。
一次リチウムが現行の定番であるには理由があります。自己放電が極めて低くエネルギー密度が高いため、無人で何年も保持でき、めったに給電されない機器に適するからです。その代償は、使い捨てセル交換を伴う固定の寿命末期、リチウムの輸送・廃棄の考慮、そして余裕のある警告がほとんど得られない電圧です。スーパーキャパシタは事実上無限のサイクル寿命と瞬時切替をもたらしますが、体積当たりエネルギーが数か月の保持にはあまりに低く、リークも大きいため、年単位ではなく秒単位の停電保持に適します。
Wiegand ハーベストはセルを不要にしますが、無給電後の初回転の制約とコンデンサの劣化を追加します。2 番目のアニメーション図は重要な評価軸で各選択肢を採点します。充電式 NiMH は年に一度給電されるリモートバルブには勝ちませんが、毎日給電される産業軸には最も筋の通った選択です。通常使用で補充され、使い捨てリチウムを避け、簡単な充電で広い温度範囲を動作し、非リチウム輸送規則で出荷できるからです。選定はカタログ慣習ではなく、実際の通電プロファイルに従うべきです。
リリース前、無給電ウィンドウで軸を回転させながら主給電をオン/オフさせ、回転数が一つも失われないことを確認し、高温・低温で自己放電・電流モデルと照合して保持寿命を測り、保守充電下でセルが予測どおりに劣化することを確かめるため充放電サイクルを加速し、低電池・過回転条件を注入して診断フラグを検証して、設計を検証します。切替はオシロスコープで捕捉し、ミリ秒の切替中にカウンタ・レールが最低値を決して下回らないことを確認します。
成果は、文書化された無給電保持値、保守充電仕様、実証済み診断経路を備えた特性評価済みバックアップです。最終回が説明する EMC・振動・電池規格の適格性評価キャンペーンに備え、毎日給電されるモーション機器における使い捨てコイン電池に対する、信頼でき保守可能な代替案となります。
Weijiang Power は、遠隔地・オフグリッド・安全関連機器向けに、密閉型ニッケル水素セルと整合の取れた産業用パックを設計・製造しており、OEM パートナーを IEC 61951-2 性能ファイル、IEC 62133-2 安全証拠、パルス負荷特性、広温度域試験、充電器/パックの相互検証で支援します。デューティサイクル、ピーク電流、温度範囲、目標稼働時間、製品が満たすべき規格をお知らせいただければ、当社エンジニアが稼働時間・信頼性・寿命を確保するセルとパックの組み合わせをご提案します。製品ページでラインアップをご覧ください。
