旋轉(zhuǎn)編碼器的設(shè)計(jì)

智能旋轉(zhuǎn)換向編碼器提供輸出選項(xiàng)、簡單調(diào)零、簡化BOM和基于PC的見解。

新方法開啟新機(jī)遇

一直以來編碼器用戶都不愿意改變，因?yàn)橐恍┞暦Q可提供卓越性能和可靠性的創(chuàng)新電機(jī)控制技術(shù)，必須擁有出色的紀(jì)錄和往績來作為支持，才可以用于工作場(chǎng)地或工業(yè)裝置。雖然光學(xué)編碼器和磁編碼器歷史悠久，而且基于看似“更具體”的物理概念，但是電容式編碼器亦是基于經(jīng)過全面試驗(yàn)的原理，并且已經(jīng)通過多年來在現(xiàn)場(chǎng)的成功實(shí)際應(yīng)用中得到證明。這種不同于運(yùn)動(dòng)感測(cè)的數(shù)字式交替方法提供了許多益處，為利用旋轉(zhuǎn)換向編碼器的設(shè)計(jì)人員提供了全新的智能水平。

旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)于幾乎所有運(yùn)動(dòng)-控制應(yīng)用來說都很關(guān)鍵，由于無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDC)使用增加，使得旋轉(zhuǎn)編碼器的需求進(jìn)一步擴(kuò)大，而且提供了控制、精度和效率等方面的諸多益處。編碼器的任務(wù)很簡單，原則上就是：向系統(tǒng)控制器指示電機(jī)軸的位置，請(qǐng)參考圖1.控制器可以利用這信息準(zhǔn)確高效地給電機(jī)繞組轉(zhuǎn)向以及確定速度、方向和加速，這些是運(yùn)動(dòng)控制回路維持電機(jī)性能要求所需要的參數(shù)。

圖1 旋轉(zhuǎn)編碼器提供電機(jī)軸方向、位置、速度和加速信息

編碼器可以基于各種技術(shù)，這些技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)的A和B正交信號(hào)數(shù)字輸出，某些型號(hào)還提供索引輸出，請(qǐng)參考圖2a.換向編碼器(下面將進(jìn)行更全面的說明)還提供U、V和W換-相的信道輸出，請(qǐng)參考圖2b.

圖2a 光學(xué)編碼器標(biāo)準(zhǔn)A和B正交信號(hào)及索引信號(hào)

圖2b 換向編碼器產(chǎn)生的U、V和W波形

編碼器技術(shù)

最著名的三種編碼器方法分別基于光學(xué)技術(shù)、磁技術(shù)或電容技術(shù)。簡單來說，光學(xué)技術(shù)采用帶槽圓盤，一側(cè)是LED，而光電晶體管在相對(duì)的一側(cè)。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光程被阻斷，得到的脈沖指示軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和方向。雖然光學(xué)方法成本低且效率高，但是以下兩個(gè)因素使得光學(xué)編碼器的可靠性下降：污垢、灰塵和油脂等污染物會(huì)干擾光程，及LED的使用壽命有限，通常幾年之內(nèi)其亮度損失過半，最終被燒壞。

除了利用磁場(chǎng)而非光束之外，磁編碼器的結(jié)構(gòu)與光學(xué)編碼器類似。磁編碼器用磁盤代替帶槽光輪，磁盤在一組磁阻傳感器上轉(zhuǎn)動(dòng)，在這些傳感器中產(chǎn)生響應(yīng)，傳遞給信號(hào)-調(diào)節(jié)前端電路，用于確定軸的位置。雖然這種編碼器的耐用性較高，但是容易受到電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾影響，準(zhǔn)確性不如光學(xué)編碼器。

第三種方法，即電容式編碼方法，具有光學(xué)編碼器和磁編碼器的所有優(yōu)點(diǎn)，但是卻沒有它們的缺點(diǎn)。這種技術(shù)利用的原理與成熟、低成本而且精密的數(shù)字游標(biāo)卡尺相同。它具有兩個(gè)柱狀或線狀型式，一個(gè)在固定元件上，另一個(gè)在運(yùn)動(dòng)元件上，兩者一起形成了一個(gè)配置為發(fā)送器/接收器對(duì)的可變電容器，請(qǐng)參考圖3.當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一體式ASIC對(duì)這些線的變化進(jìn)行計(jì)數(shù)，并利用內(nèi)插法尋找軸的位置和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，建立標(biāo)準(zhǔn)的正交輸出，以及其它編碼器提供的換向輸出，用于控制無刷直流(BLDC)電機(jī)。

這種電容式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)磨損，不受工業(yè)環(huán)境中常見的灰塵、污垢和油脂等污染物質(zhì)的影響，使其本質(zhì)上比光學(xué)編碼器更可靠。電容式編碼器還具有其數(shù)字控制特征帶來的性能優(yōu)勢(shì)，包括調(diào)節(jié)編碼器分辨率的能力(脈沖/轉(zhuǎn)數(shù))，不需要更換為分辨率更高或更低的編碼器。

圖3 電容式編碼器對(duì)收到的與電機(jī)軸連接的轉(zhuǎn)子發(fā)送的信號(hào)調(diào)制脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)

最佳選擇

CUI全新AMT31系列是先進(jìn)電容式編碼器的典范，提供A和B正交信號(hào)、索引信號(hào)以及U、V和W換-相的信號(hào)。它在48-4096脈沖/轉(zhuǎn)(PPR)之間具有20個(gè)可選遞增分辨率，2-20之間共7個(gè)電機(jī)極-對(duì)。AMT31系列還具有鎖定轂，使安裝容易。它從5 V電源軌操作，僅需16 mA供電電流。