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2021 - 04 - 21
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2021 - 04 - 20
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2021 - 04 - 14
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2021 - 04 - 14
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光學式、磁式和電容式三種編碼器技術分析

發布時間: 2021-03-31
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編碼器在運動控制類產品中比較常見,旋轉編碼器都是組成運動控制反饋回路的關鍵元器件,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。


本文將概述光學式、磁式和電容式三種編碼器技術,并且略述各種技術的利弊權衡。


1、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,二者分別位于編碼器碼盤兩側。


碼盤由塑料或玻璃制成,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 正交脈沖,可用于確定軸的旋轉和速度。


光學式、磁式和電容式三種編碼器技術分析

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


盡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臟的環境中,污染物會堆積在碼盤上,從而阻礙 LED 光透射到光學傳感器。


由于受污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范圍;將其組裝到電機上不僅耗時,而且受污染的風險更大。


最后,如果光學編碼器的分辨率較高,則會消耗 100 mA 以上的電流,進一步影響了它應用于移動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,并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。


相較于光學編碼器,磁性編碼器的優勢在于更耐用、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)產生的電磁干擾會對磁性編碼器造成極大的影響,并且溫度變化也會使其產生位置漂移。


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、固定發射器和固定接收器。電容感應使用條狀或線狀紋路,一極位于固定元件上,另一極位于活動元件上,以構成可變電容器,并配置成一對接收器/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。隨后,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。


光學式、磁式和電容式三種編碼器技術分析

圖 2:編碼器碼盤的比較(圖片來源:CUI Devices)


4、電容式編碼器


的優點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 編碼器系列所采用的這種基于電容的技術具有高可靠性、高精度的特性。


由于無需 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關鍵優勢。因為光學或磁性編碼器的分辨率是由編碼器碼盤決定,所以需要其他分辨率時,每次都要使用新的編碼器,以致于設計和制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分辨率,為設計人員免去了每次需要新的分辨率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 控制回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沖設置,而這項任務對于光學編碼器而言可能既反復、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。


光學式、磁式和電容式三種編碼器技術分析

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)


5、權衡選項


在許多運動控制應用中,溫度、振動和環境污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。


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