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編碼器技術原理及優(yōu)缺點
編碼器在運動控制類產(chǎn)品中比較常見,，旋轉(zhuǎn)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(yè)自動化設備和過程控制,、機器人技術,、醫(yī)療設備,、能源,、航空航天等。
作為將機械運動轉(zhuǎn)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(shù)據(jù),，用以優(yōu)化整個系統(tǒng)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z適合最終應用，還需要考慮一些因素,。
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,。
1、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(cè),。
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(zhuǎn)時,，LED 光路被碼盤上間隔排列的線或槽阻斷,，從而產(chǎn)生兩路典型的方波 A 和 B 正交脈沖，可用于確定軸的旋轉(zhuǎn)和速度,。
圖 1：光學編碼器的典型 A 和 B 正交脈沖,，包括索引脈沖(圖片來源：CUI Devices)
盡管光學編碼器應用廣泛，但仍有幾點缺陷,，在工業(yè)應用等多塵且骯臟的環(huán)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(xù)或*丟失,，因而極da地影響了光學編碼器的可靠性和精度。
LED 的使用壽命有限,，最終總會燒壞,，從而導致編碼器故障。此外,，玻璃或塑料碼盤容易因振動或極duan溫度而損壞,，因而限制了光學編碼器在惡劣環(huán)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。
最后,，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,。
2,、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極,，并在一列霍爾效應傳感器或磁阻傳感器上旋轉(zhuǎn),。
碼盤的任何轉(zhuǎn)動都會使這些傳感器產(chǎn)生響應，而產(chǎn)生的信號將傳輸至信號調(diào)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(yōu)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(huán)境應用,。
不過,，電機(尤其是步進電機)產(chǎn)生的電磁干擾會對磁性編碼器造成極da的影響，并且溫度變化也會使其產(chǎn)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,。
3,、電容式編碼器
電容式編碼器主要由三部分組成：轉(zhuǎn)子、固定發(fā)射器和固定接收器,。電容感應使用條狀或線狀紋路,，一極位于固定元件上，另一極位于活動元件上,，以構成可變電容器,，并配置成一對接收器/發(fā)射器。
轉(zhuǎn)子上蝕刻了正弦波紋路,，隨著電機軸的轉(zhuǎn)動,，這種紋路可產(chǎn)生特殊但可預測的信號,。隨后，該信號經(jīng)由編碼器的板載 ASIC 轉(zhuǎn)換,，以計算軸的位置和旋轉(zhuǎn)方向,。
圖 2：編碼器碼盤的比較(圖片來源：CUI Devices)
4、電容式編碼器
的優(yōu)點電容式編碼器的工作原理與數(shù)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(chǎn)生不利影響的環(huán)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*/極低溫度的影響。
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(nèi)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(wěn)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(shù)字特性也能帶來關鍵優(yōu)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(diào)和系統(tǒng)優(yōu)化,。
涉及 BLDC 電機換向時，電容式編碼器允許數(shù)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(nèi)置的診斷功能使設計人員可以進一步訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù),，用以優(yōu)化系統(tǒng)或現(xiàn)場排除故障,。
圖 3：電容式、光學式和磁式技術的關鍵性能指標比較(圖片來源：CUI Devices)
5,、權衡選項
在許多運動控制應用中,，溫度、振動和環(huán)境污染物都是編碼器必須應對的重要挑戰(zhàn)因素,。事實證明,，電容式編碼器可以克服這些挑戰(zhàn)。
與光學式或磁式技術相比,，它可為設計人員提供可靠,、精que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(shù)字特性使其更適合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應用。