2021-11-23
在多種應用中，旋轉編碼器都是組成運動控制反饋回路的關鍵元器件，包括工業自動化設備和過程控制、機器人技術、醫療設備、能源、航空航天等。作為將機械運動轉換為電信號的器件，編碼器可為工程師提供位置、速度、距離和方向等基本數據，用以優化整個系統的性能。
光學式、磁式和電容式是可供工程師使用的三種主要編碼器技術。不過，要確定哪種技術適合結果應用，還需要考慮一些因素。為了幫助工程師選型，本文將概述光學式、磁式和電容式三種編碼器技術，并且略述各種技術的利弊權衡。
編碼器技術概述
光學編碼器
多年來，光學編碼器一直都是運動控制應用市場的熱門選擇。它由 LED 光源（通常是紅外光源）和光電探測器組成，二者分別位于編碼器碼盤兩側。碼盤由塑料或玻璃制成，上面間隔排列著一系列透光和不透光的線或槽。碼盤旋轉時，LED 光路被碼盤上間隔排列的線或槽阻斷，從而產生兩路典型的方波 A 和 B 正交脈沖，可用于確定軸的旋轉和速度。
盡管光學編碼器應用廣泛，但仍有幾點缺陷。在工業應用等多塵且骯臟的環境中，污染物會堆積在碼盤上，從而阻礙 LED 光透射到光學傳感器。由于受污染的碼盤可能會導致方波不連續或完全丟失，因而很大地影響了光學編碼器的可靠性和精度。LED 的使用壽命有限，結果總會燒壞，從而導致編碼器故障。此外，玻璃或塑料碼盤容易因振動或溫度而損壞，因而限制了光學編碼器在惡劣環境應用中的適用范圍；將其組裝到電機上不僅耗時，而且受污染的風險更大。如果光學編碼器的分辨率較高，則會消耗 100 mA 以上的電流，進一步影響了它應用于移動設備或電池供電設備。
磁性編碼器
磁性編碼器的結構與光學編碼器類似，但它利用的是磁場，而非光束。磁性編碼器使用磁性碼盤替代帶槽光電碼盤，磁性碼盤上帶有間隔排列的磁ji，并在一列霍爾效應傳感器或磁阻傳感器上旋轉。碼盤的任何轉動都會使這些傳感器產生響應，而產生的信號將傳輸至信號調理前端電路以確定軸的位置。相較于光學編碼器，磁性編碼器的優勢在于更耐用、抗振和抗沖擊。而且，在遇到灰塵、污垢和油漬等污染物的情況下，光學編碼器的性能會大打折扣，磁性編碼器卻不受影響，因此非常適合惡劣環境應用。
不過，電機（尤其是步進電機）產生的電磁干擾會對磁性編碼器造成很大的影響，并且溫度變化也會使其產生位置漂移。此外，磁性編碼器的分辨率和精度相對較低，在這方面遠不及光學和電容式編碼器。
電容式編碼器
電容式編碼器主要由三部分組成：轉子、固定發射器和固定接收器。電容感應使用條狀或線狀紋路，一ji位于固定元件上，另一ji位于活動元件上，以構成可變電容器，并配置成一對接收器/發射器。轉子上蝕刻了正弦波紋路，隨著電機軸的轉動，這種紋路可產生特殊但可預測的信號。隨后，該信號經由編碼器的板載 ASIC 轉換，以計算軸的位置和旋轉方向。
電容式編碼器的優點
電容式編碼器的工作原理與數字游標卡尺相同，因此它所提供的解決方案克服了光學和磁性編碼器的許多缺點。事實證明，CUI Devices 的 AMT 編碼器系列 所采用的這種基于電容的技術具有高可靠性、高精度的特性。由于無需 LED 或視距，即使遇到會對光學編碼器產生不利影響的環境污染物（如灰塵、污垢和油漬），電容式編碼器也能達到預期的效果。此外，相比光學編碼器使用的玻璃碼盤，它更不容易受到振動和很高/很低溫度的影響。如前所述，因為電容式編碼器不存在 LED 燒壞的情況，所以使用壽命往往比光學編碼器長。因此，電容式編碼器的封裝尺寸更小，在整個分辨率范圍內電流消耗更小，只有 6 至 18 mA，這就使它更適合電池供電應用。鑒于電容式技術的穩健性、精度和分辨率均比磁性編碼器高，因而后者所面臨的電磁干擾和電氣噪聲對它的影響并不大。
此外，在靈活性和可編程性方面，電容式編碼器的數字特性也能帶來關鍵優勢。因為光學或磁性編碼器的分辨率是由編碼器碼盤決定，所以需要其他分辨率時，每次都要使用新的編碼器，以致于設計和制造過程的時間和成本均會有所增加。然而，電容式編碼器具有一系列可編程的分辨率，為設計人員免去了每次需要新的分辨率時就要更換編碼器的麻煩，這不僅減少了庫存，而且簡化了 PID 控制回路的微調和系統優化。涉及 BLDC 電機換向時，電容式編碼器允許數字對準和索引脈沖設置，而這項任務對于光學編碼器而言可能既反復、又耗時。內置的診斷功能使設計人員可以進一步訪問系統數據，用以優化系統或現場排除故障。
權衡選項
在許多運動控制應用中，溫度、振動和環境污染物都是編碼器要應對的重要挑戰因素。事實證明，電容式編碼器可以克服這些挑戰。與光學式或磁式技術相比，它可為設計人員提供可靠且靈活的解決方案。此外，電容式編碼器還增加了可編程性和診斷功能，這種數字特性使其更適合現代物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 應用。
