解析几种编码器技术原理及优缺点

编码器在运动控制类产品中比较常见，旋转编码器都是组成运动控制反馈回路的关键元器件，包括工业自动化设备和过程控制、机器人技术、医疗设备、能源、航空航天等。
 
作为将机械运动转换为电信号的器件，编码器可为工程师提供位置、速度、距离和方向等基本数据，用以优化整个系统的性能。
 
光学式、磁式和电容式是可供工程师使用的三种主要编码器技术。不过，要确定哪种技术最适合最终应用，还需要考虑一些因素。
 
本文将概述光学式、磁式和电容式三种编码器技术，并且略述各种技术的利弊权衡。
 
1、光学编码器

多年来，光学编码器一直都是运动控制应用市场的热门选择。它由 LED 光源(通常是红外光源)和光电探测器组成，二者分别位于编码器码盘两侧。
 
码盘由塑料或玻璃制成，上面间隔排列着一系列透光和不透光的线或槽。码盘旋转时，LED 光路被码盘上间隔排列的线或槽阻断，从而产生两路典型的方波 A 和 B 正交脉冲，可用于确定轴的旋转和速度。

图 1：光学编码器的典型 A 和 B 正交脉冲，包括索引脉冲(图片来源：CUI Devices)

尽管光学编码器应用广泛，但仍有几点缺陷，在工业应用等多尘且肮脏的环境中，污染物会堆积在码盘上，从而阻碍 LED 光透射到光学传感器。
 
由于受污染的码盘可能会导致方波不连续或完全丢失，因而极大地影响了光学编码器的可靠性和精度。
 
LED 的使用寿命有限，最终总会烧坏，从而导致编码器故障。此外，玻璃或塑料码盘容易因振动或极端温度而损坏，因而限制了光学编码器在恶劣环境应用中的适用范围;将其组装到电机上不仅耗时，而且受污染的风险更大。
 
最后，如果光学编码器的分辨率较高，则会消耗 100 mA 以上的电流，进一步影响了它应用于移动设备或电池供电设备。
 
2、磁性编码器

磁性编码器的结构与光学编码器类似，但它利用的是磁场，而非光束。磁性编码器使用磁性码盘替代带槽光电码盘，磁性码盘上带有间隔排列的磁极，并在一列霍尔效应传感器或磁阻传感器上旋转。
 
码盘的任何转动都会使这些传感器产生响应，而产生的信号将传输至信号调理前端电路以确定轴的位置。
 
相较于光学编码器，磁性编码器的优势在于更耐用、抗振和抗冲击。而且，在遇到灰尘、污垢和油渍等污染物的情况下，光学编码器的性能会大打折扣，磁性编码器却不受影响，因此非常适合恶劣环境应用。
 
不过，电机(尤其是步进电机)产生的电磁干扰会对磁性编码器造成极大的影响，并且温度变化也会使其产生位置漂移。
 
此外，磁性编码器的分辨率和精度相对较低，在这方面远不及光学和电容式编码器。
 
3、电容式编码器

电容式编码器主要由三部分组成：转子、固定发射器和固定接收器。电容感应使用条状或线状纹路，一极位于固定元件上，另一极位于活动元件上，以构成可变电容器，并配置成一对接收器/发射器。
 
转子上蚀刻了正弦波纹路，随着电机轴的转动，这种纹路可产生特殊但可预测的信号。随后，该信号经由编码器的板载 ASIC 转换，以计算轴的位置和旋转方向。

图 2：编码器码盘的比较(图片来源：CUI Devices)

4、电容式编码器

的优点电容式编码器的工作原理与数字游标卡尺相同，因此它所提供的解决方案克服了光学和磁性编码器的许多缺点。
 
事实证明，CUI Devices 的 AMT 编码器系列所采用的这种基于电容的技术具有高可靠性、高精度的特性。
 
由于无需 LED 或视距，即使遇到会对光学编码器产生不利影响的环境污染物(如灰尘、污垢和油渍)，电容式编码器也能达到预期的效果。
 
此外，相比光学编码器使用的玻璃码盘，它更不容易受到振动和极高/极低温度的影响。
 
如前所述，因为电容式编码器不存在 LED 烧坏的情况，所以使用寿命往往比光学编码器长。
 
因此，电容式编码器的封装尺寸更小，在整个分辨率范围内电流消耗更小，只有 6 至 18 mA，这就使它更适合电池供电应用。
 
鉴于电容式技术的稳健性、精度和分辨率均比磁性编码器高，因而后者所面临的电磁干扰和电气噪声对它的影响并不大。
 
此外，在灵活性和可编程性方面，电容式编码器的数字特性也能带来关键优势。因为光学或磁性编码器的分辨率是由编码器码盘决定，所以需要其他分辨率时，每次都要使用新的编码器，以致于设计和制造过程的时间和成本均会有所增加。
 
然而，电容式编码器具有一系列可编程的分辨率，为设计人员免去了每次需要新的分辨率时就要更换编码器的麻烦，这不仅减少了库存，而且简化了 PID 控制回路的微调和系统优化。
 
涉及 BLDC 电机换向时，电容式编码器允许数字对准和索引脉冲设置，而这项任务对于光学编码器而言可能既反复、又耗时。
 
内置的诊断功能使设计人员可以进一步访问系统数据，用以优化系统或现场排除故障。

图 3：电容式、光学式和磁式技术的关键性能指标比较(图片来源：CUI Devices)

5、权衡选项

在许多运动控制应用中，温度、振动和环境污染物都是编码器必须应对的重要挑战因素。事实证明，电容式编码器可以克服这些挑战。
 
与光学式或磁式技术相比，它可为设计人员提供可靠、精准且灵活的解决方案。
 
此外，电容式编码器还增加了可编程性和诊断功能，这种数字特性使其更适合现代物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 应用。