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(guān)鍵元器件，包括工業(yè)自動化設(shè)備和過程控制,、機器人技術(shù),、醫(yī)療設(shè)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(xué)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(shù)。不過,，要確定哪種技術(shù)z適合最終應(yīng)用,，還需要考慮一些因素。

本文將概述光學(xué)式,、磁式和電容式三種編碼器技術(shù),，并且略述各種技術(shù)的利弊權(quán)衡。

1,、光學(xué)編碼器

多年來,，光學(xué)編碼器一直都是運動控制應(yīng)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(xué)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(xué)編碼器應(yīng)用廣泛,，但仍有幾點缺陷,，在工業(yè)應(yīng)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(xué)傳感器,。

由于受污染的碼盤可能會導(dǎo)致方波不連續(xù)或*丟失,，因而極da地影響了光學(xué)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(dǎo)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(xué)編碼器在惡劣環(huán)境應(yīng)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(fēng)險更大,。

最后,，如果光學(xué)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(yīng)用于移動設(shè)備或電池供電設(shè)備,。

2、磁性編碼器

磁性編碼器的結(jié)構(gòu)與光學(xué)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(yīng)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(yīng),，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(xué)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(xué)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(gòu)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(yù)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(xué)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(shù)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(xué)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(yù)期的效果,。

此外，相比光學(xué)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(xué)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(yīng)用。

鑒于電容式技術(shù)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(guān)鍵優(yōu)勢,。因為光學(xué)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(shè)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(shè)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(shè)置，而這項任務(wù)對于光學(xué)編碼器而言可能既反復(fù),、又耗時。

內(nèi)置的診斷功能使設(shè)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(xué)式和磁式技術(shù)的關(guān)鍵性能指標比較(圖片來源：CUI Devices)

5,、權(quán)衡選項

在許多運動控制應(yīng)用中,，溫度,、振動和環(huán)境污染物都是編碼器必須應(yīng)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(xué)式或磁式技術(shù)相比,，它可為設(shè)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(yīng)用,。