編碼器在運動(dòng)控制類(lèi)產(chǎn)品中比較常見(jiàn)，旋轉編碼器都是組成運動(dòng)控制反饋回路的關(guān)鍵元器件，包括工業(yè)自動(dòng)化設備和過(guò)程控制、機器人技術(shù)、醫療設備、能源、航空航天等。
作為將機械運動(dòng)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?xún)?yōu)化整個(gè)系統的性能。
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(guò)，要確定哪種技術(shù)最適合最終應用，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)的利弊權衡。
1、光學(xué)編碼器
多年來(lái)，光學(xué)編碼器一直都是運動(dòng)控制應用市場(chǎng)的熱門(mén)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(pán)兩側。
碼盤(pán)由塑料或玻璃制成，上面間隔排列著(zhù)一系列透光和不透光的線(xiàn)或槽。碼盤(pán)旋轉時(shí)，LED 光路被碼盤(pán)上間隔排列的線(xiàn)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(lái)源：CUI Devices)
盡管光學(xué)編碼器應用廣泛，但仍有幾點(diǎn)缺陷，在工業(yè)應用等多塵且骯臟的環(huán)境中，污染物會(huì )堆積在碼盤(pán)上，從而阻礙 LED 光透射到光學(xué)傳感器。
由于受污染的碼盤(pán)可能會(huì )導致方波不連續或完全丟失，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(huì )燒壞，從而導致編碼器故障。此外，玻璃或塑料碼盤(pán)容易因振動(dòng)或極端溫度而損壞，因而限制了光學(xué)編碼器在惡劣環(huán)境應用中的適用范圍;將其組裝到電機上不僅耗時(shí)，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(huì )消耗 100 mA 以上的電流，進(jìn)一步影響了它應用于移動(dòng)設備或電池供電設備。
2、磁性編碼器
磁性編碼器的結構與光學(xué)編碼器類(lèi)似，但它利用的是磁場(chǎng)，而非光束。磁性編碼器使用磁性碼盤(pán)替代帶槽光電碼盤(pán)，磁性碼盤(pán)上帶有間隔排列的磁極，并在一列霍爾效應傳感器或磁阻傳感器上旋轉。
碼盤(pán)的任何轉動(dòng)都會(huì )使這些傳感器產(chǎn)生響應，而產(chǎn)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(huì )大打折扣，磁性編碼器卻不受影響，因此非常適合惡劣環(huán)境應用。
不過(guò)，電機(尤其是步進(jìn)電機)產(chǎn)生的電磁干擾會(huì )對磁性編碼器造成極大的影響，并且溫度變化也會(huì )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：轉子、固定發(fā)射器和固定接收器。電容感應使用條狀或線(xiàn)狀紋路，一極位于固定元件上，另一極位于活動(dòng)元件上，以構成可變電容器，并配置成一對接收器/發(fā)射器。
轉子上蝕刻了正弦波紋路，隨著(zhù)電機軸的轉動(dòng)，這種紋路可產(chǎn)生特殊但可預測的信號。隨后，該信號經(jīng)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(pán)的比較(圖片來(lái)源：CUI Devices)
4、電容式編碼器
的優(yōu)點(diǎn)電容式編碼器的工作原理與數字游標卡尺相同，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(diǎn)。
事實(shí)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(wú)需 LED 或視距，即使遇到會(huì )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期的效果。
此外，相比光學(xué)編碼器使用的玻璃碼盤(pán)，它更不容易受到振動(dòng)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(cháng)。
因此，電容式編碼器的封裝尺寸更小，在整個(gè)分辨率范圍內電流消耗更小，只有 6 至 18 mA，這就使它更適合電池供電應用。
鑒于電容式技術(shù)的穩健性、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，電容式編碼器的數字特性也能帶來(lái)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(pán)決定，所以需要其他分辨率時(shí)，每次都要使用新的編碼器，以致于設計和制造過(guò)程的時(shí)間和成本均會(huì )有所增加。
然而，電容式編碼器具有一系列可編程的分辨率，為設計人員免去了每次需要新的分辨率時(shí)就要更換編碼器的麻煩，這不僅減少了庫存，而且簡(jiǎn)化了 PID 控制回路的微調和系統優(yōu)化。
涉及 BLDC 電機換向時(shí)，電容式編碼器允許數字對準和索引脈沖設置，而這項任務(wù)對于光學(xué)編碼器而言可能既反復、又耗時(shí)。
內置的診斷功能使設計人員可以進(jìn)一步訪(fǎng)問(wèn)系統數據，用以?xún)?yōu)化系統或現場(chǎng)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(lái)源：CUI Devices)
5、權衡選項
在許多運動(dòng)控制應用中，溫度、振動(dòng)和環(huán)境污染物都是編碼器必須應對的重要挑戰因素。事實(shí)證明，電容式編碼器可以克服這些挑戰。
與光學(xué)式或磁式技術(shù)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(lián)網(wǎng) (IoT) 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應用。