編碼器技術的利弊權衡

2020-11-24 騰訊網

在多種應用中，旋轉編碼器都是組成運動控制反饋迴路的關鍵元器件，包括工業自動化設備和過程控制、機器人技術、醫療設備、能源、航空航天等。作為將機械運動轉換為電信號的器件，編碼器可為工程師提供位置、速度、距離和方向等基本數據，用以優化整個系統的性能。

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，要確定哪種技術最適合最終應用，還需要考慮一些因素。為了幫助工程師選型，本文將概述光學式、磁式和電容式三種編碼器技術，並且略述各種技術的利弊權衡。

編碼器技術概述

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，二者分別位於編碼器碼盤兩側。碼盤由塑料或玻璃製成，上面間隔排列著一系列透光和不透光的線或槽。碼盤旋轉時，LED 光路被碼盤上間隔排列的線或槽阻斷，從而產生兩路典型的方波 A 和 B 正交脈衝，可用於確定軸的旋轉和速度。

圖 1：光學編碼器的典型 A 和 B 正交脈衝，包括索引脈衝（圖片來源：CUI Devices ）

儘管光學編碼器應用廣泛，但仍有幾點缺陷。在工業應用等多塵且骯髒的環境中，汙染物會堆積在碼盤上，從而阻礙 LED 光透射到光學傳感器。由於受汙染的碼盤可能會導致方波不連續或完全丟失，因而極大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端溫度而損壞，因而限制了光學編碼器在惡劣環境應用中的適用範圍；將其組裝到電機上不僅耗時，而且受汙染的風險更大。最後，如果光學編碼器的解析度較高，則會消耗 100 mA 以上的電流，進一步影響了它應用於行動裝置或電池供電設備。

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，並在一列霍爾效應傳感器或磁阻傳感器上旋轉。碼盤的任何轉動都會使這些傳感器產生響應，而產生的信號將傳輸至信號調理前端電路以確定軸的位置。相較於光學編碼器，磁性編碼器的優勢在於更耐用、抗振和抗衝擊。而且，在遇到灰塵、汙垢和油漬等汙染物的情況下，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境應用。

不過，電機（尤其是步進電機）產生的電磁幹擾會對磁性編碼器造成極大的影響，並且溫度變化也會使其產生位置漂移。此外，磁性編碼器的解析度和精度相對較低，在這方面遠不及光學和電容式編碼器。

電容式編碼器

電容式編碼器主要由三部分組成：轉子、固定發射器和固定接收器。電容感應使用條狀或線狀紋路，一極位於固定元件上，另一極位於活動元件上，以構成可變電容器，並配置成一對接收器/發射器。轉子上蝕刻了正弦波紋路，隨著電機軸的轉動，這種紋路可產生特殊但可預測的信號。隨後，該信號經由編碼器的板載 ASIC 轉換，以計算軸的位置和旋轉方向。

圖 2：編碼器碼盤的比較（圖片來源：CUI Devices）

電容式編碼器的優點

電容式編碼器的工作原理與數字遊標卡尺相同，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 所採用的這種基於電容的技術具有高可靠性、高精度的特性。由於無需 LED 或視距，即使遇到會對光學編碼器產生不利影響的環境汙染物（如灰塵、汙垢和油漬），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編碼器長。因此，電容式編碼器的封裝尺寸更小，在整個解析度範圍內電流消耗更小，只有 6 至 18 mA，這就使它更適合電池供電應用。鑑於電容式技術的穩健性、精度和解析度均比磁性編碼器高，因而後者所面臨的電磁幹擾和電氣噪聲對它的影響並不大。

此外，在靈活性和可編程性方面，電容式編碼器的數字特性也能帶來關鍵優勢。因為光學或磁性編碼器的解析度是由編碼器碼盤決定，所以需要其他解析度時，每次都要使用新的編碼器，以致於設計和製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解析度，為設計人員免去了每次需要新的解析度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 控制迴路的微調和系統優化。涉及 BLDC 電機換向時，電容式編碼器允許數字對準和索引脈衝設置，而這項任務對於光學編碼器而言可能既反覆、又耗時。內置的診斷功能使設計人員可以進一步訪問系統數據，用以優化系統或現場排除故障。

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）

權衡選項

在許多運動控制應用中，溫度、振動和環境汙染物都是編碼器必須應對的重要挑戰因素。事實證明，電容式編碼器可以克服這些挑戰。與光學式或磁式技術相比，它可為設計人員提供可靠、精準且靈活的解決方案。此外，電容式編碼器還增加了可編程性和診斷功能，這種數字特性使其更適合現代物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 應用。

作者：Jeff Smoot

來源：CUI Devices

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