解析幾種編碼器技術(shù)原理及優(yōu)缺點

時間：2021-03-12 10:33:53

關(guān)鍵字：編碼器原理優(yōu)缺點

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[導(dǎo)讀]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(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備、能源、航空航天等。

編排 | strongerHuang

來源 | 捷配電子工程師筆記

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(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備、能源、航空航天等。
作為將機(jī)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)最適合最終應(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。

嵌入式專欄 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)或完全丟失，因而極大地影響了光學(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端溫度而損壞，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(jī)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(jìn)一步影響了它應(yīng)用于移動設(shè)備或電池供電設(shè)備。

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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(jī)（尤其是步進(jìn)電機(jī)）產(chǎn)生的電磁干擾會對磁性編碼器造成極大的影響，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(yuǎn)不及光學(xué)和電容式編碼器。

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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(jī)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）

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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(biāo)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(dá)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高/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(jī)換向時，電容式編碼器允許數(shù)字對準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)比較（圖片來源：CUI Devices）

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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、精準(zhǔn)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。

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