旋轉編碼器的設計

2020-12-06 電子產品世界

智能旋轉換向編碼器提供輸出選項、簡單調零、簡化BOM和基於PC的見解。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/387371.htm

新方法開啟新機遇

一直以來編碼器用戶都不願意改變，因為一些聲稱可提供卓越性能和可靠性的創新電機控制技術，必須擁有出色的紀錄和往績來作為支持，才可以用於工作場地或工業裝置。雖然光學編碼器和磁編碼器歷史悠久，而且基於看似「更具體」的物理概念，但是電容式編碼器亦是基於經過全面試驗的原理，並且已經通過多年來在現場的成功實際應用中得到證明。這種不同於運動感測的數字式交替方法提供了許多益處，為利用旋轉換向編碼器的設計人員提供了全新的智能水平。

旋轉編碼器對於幾乎所有運動-控制應用來說都很關鍵，由於無刷直流電動機(BLDC)使用增加，使得旋轉編碼器的需求進一步擴大，而且提供了控制、精度和效率等方面的諸多益處。編碼器的任務很簡單，原則上就是：向系統控制器指示電機軸的位置，請參考圖1.控制器可以利用這信息準確高效地給電機繞組轉向以及確定速度、方向和加速，這些是運動控制迴路維持電機性能要求所需要的參數。

圖1 旋轉編碼器提供電機軸方向、位置、速度和加速信息

編碼器可以基於各種技術，這些技術提供標準的A和B正交信號數字輸出，某些型號還提供索引輸出，請參考圖2a.換向編碼器(下面將進行更全面的說明)還提供U、V和W換-相的信道輸出，請參考圖2b.

圖2a 光學編碼器標準A和B正交信號及索引信號

圖2b 換向編碼器產生的U、V和W波形

編碼器技術

最著名的三種編碼器方法分別基於光學技術、磁技術或電容技術。簡單來說，光學技術採用帶槽圓盤，一側是LED，而光電電晶體在相對的一側。當圓盤轉動時，光程被阻斷，得到的脈衝指示軸的轉動和方向。雖然光學方法成本低且效率高，但是以下兩個因素使得光學編碼器的可靠性下降：汙垢、灰塵和油脂等汙染物會干擾光程，及LED的使用壽命有限，通常幾年之內其亮度損失過半，最終被燒壞。

除了利用磁場而非光束之外，磁編碼器的結構與光學編碼器類似。磁編碼器用磁碟代替帶槽光輪，磁碟在一組磁阻傳感器上轉動，在這些傳感器中產生響應，傳遞給信號-調節前端電路，用於確定軸的位置。雖然這種編碼器的耐用性較高，但是容易受到電機產生的電磁幹擾影響，準確性不如光學編碼器。

第三種方法，即電容式編碼方法，具有光學編碼器和磁編碼器的所有優點，但是卻沒有它們的缺點。這種技術利用的原理與成熟、低成本而且精密的數字遊標卡尺相同。它具有兩個柱狀或線狀型式，一個在固定元件上，另一個在運動元件上，兩者一起形成了一個配置為發送器/接收器對的可變電容器，請參考圖3.當編碼器轉動時，一體式ASIC對這些線的變化進行計數，並利用內插法尋找軸的位置和轉動方向，建立標準的正交輸出，以及其它編碼器提供的換向輸出，用於控制無刷直流(BLDC)電機。

這種電容式技術的優點是不會磨損，不受工業環境中常見的灰塵、汙垢和油脂等汙染物質的影響，使其本質上比光學編碼器更可靠。電容式編碼器還具有其數字控制特徵帶來的性能優勢，包括調節編碼器解析度的能力(脈衝/轉數)，不需要更換為解析度更高或更低的編碼器。

圖3 電容式編碼器對收到的與電機軸連接的轉子發送的信號調製脈衝進行計數

最佳選擇

CUI全新AMT31系列是先進電容式編碼器的典範，提供A和B正交信號、索引信號以及U、V和W換-相的信號。它在48-4096脈衝/轉(PPR)之間具有20個可選遞增解析度，2-20之間共7個電機極-對。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。

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