三種編碼器技術(shù)的詳細(xì)說(shuō)明：各有優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇？

旋轉(zhuǎn)編碼器是運(yùn)動(dòng)控制反饋回路在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和過(guò)程控制、機(jī)器人工程、醫(yī)療設(shè)備、能源和航空航天等各種應(yīng)用中的重要組成部分。作為將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備，編碼器向工程師提供位置、速度、距離、方向等重要數(shù)據(jù)，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。

光電、磁性和電容是工程師可以使用的三種主要編碼器技術(shù)。但是，在確定最適合最終用途的技術(shù)時(shí)，有幾個(gè)需要考慮的因素。為了幫助您選擇工程師，西安德伍拓公司技術(shù)員提供了光電、磁性和電容編碼器技術(shù)的概述，并介紹了各自的折衷。

光電編碼器

光電編碼器多年來(lái)一直是運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用市場(chǎng)上的熱門(mén)選擇。它由放置在編碼器盤(pán)兩側(cè)的LED光源（通常為紅外線光源）和光電探測(cè)器組成。光盤(pán)由塑料或玻璃制成，一系列不透明、透光的線條或狹縫隔開(kāi)間隔。磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，指示燈的光路會(huì)被磁盤(pán)上隔開(kāi)間隔的線或狹縫阻塞，從而生成兩個(gè)典型的方形波A和B正交脈沖，它們可用于確定樹(shù)的旋轉(zhuǎn)和速度。


 圖1光電編碼器的典型A和B正交脈沖（包括索引脈沖）

光電編碼器被廣泛使用，但它有一些缺點(diǎn)。在工業(yè)應(yīng)用程序等灰塵和污垢較多的環(huán)境中，污染物可能會(huì)堆積在編碼器車輪上，導(dǎo)致LED光無(wú)法傳遞給光傳感器。光電編碼器的可靠性和準(zhǔn)確性可能受到臟碼盤(pán)的很大影響，方波可能不連續(xù)或完全丟失。LED壽命有限，最終會(huì)燃盡，編碼器故障。此外，玻璃或塑料編碼器容易受到極端振動(dòng)和極端溫度的損壞，限制了光電編碼器在嚴(yán)酷環(huán)境中的應(yīng)用范圍。把它們組裝成發(fā)動(dòng)機(jī)需要很長(zhǎng)時(shí)間，污染的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加。最后，如果光電編碼器的分辨率較高，則會(huì)消耗100mA或更高的分辨率，從而進(jìn)一步影響移動(dòng)和電池驅(qū)動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用程序。

磁性編碼器

磁性編碼器與光電編碼器的結(jié)構(gòu)相似，但使用磁場(chǎng)代替光束。磁性編碼器將帶槽光電編碼器替換為在霍爾效應(yīng)傳感器或磁阻傳感器陣列上旋轉(zhuǎn)的空間極磁性編碼器。編碼器控制盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些傳感器會(huì)發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果信號(hào)會(huì)傳遞給前端信號(hào)調(diào)整電路，以確定軸的位置。與光電編碼器相比，磁性編碼器具有耐久性、抗振動(dòng)、抗沖擊的優(yōu)點(diǎn)。而且，光電編碼器的性能在灰塵、污垢、油等污染物的存在下會(huì)受到很大損失，但磁性編碼器不受影響，因此最適合在嚴(yán)酷環(huán)境中應(yīng)用。

但是，來(lái)自電機(jī)（特別是步進(jìn)電機(jī)）的電磁干擾可能會(huì)對(duì)磁性編碼器產(chǎn)生很大影響，溫度變化也可能引起位置漂移。而且，磁性編碼器的分辨率和精度比較低，在這一點(diǎn)上不如光電式編碼器和靜電電容式編碼器好。

電容式編碼器

電容式編碼器主要由轉(zhuǎn)子、固定發(fā)射機(jī)和固定接收機(jī)三部分組成。

在電容傳感中，一個(gè)極位于固定元件上，另一個(gè)極位于活動(dòng)元件上的電線條或圖案用于形成一對(duì)接收器/發(fā)射器的可變電容器。轉(zhuǎn)子上刻蝕正弦波，生成馬達(dá)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)特別且可預(yù)測(cè)的信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)編碼器的板載ASIC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以計(jì)算軸的位置和旋轉(zhuǎn)方向。


圖2編碼器磁盤(pán)比較

電容編碼器的工作原理與數(shù)字游標(biāo)卡尺相同，因此它提供了一種解決方案來(lái)克服光電和磁性編碼器的許多缺點(diǎn)。這種基于電容的技術(shù)被證明是非?？煽亢蜏?zhǔn)確的。不需要LED或視線的電容式編碼器，即使有可能危害光電編碼器的灰塵、污垢、油等環(huán)境污染物，也能按照預(yù)期發(fā)揮作用。另外，與光電式編碼器中使用的玻璃盤(pán)相比，不易受到振動(dòng)和極端高溫/低溫的影響。如前所述，電容式編碼器沒(méi)有LED的老化，因此壽命比光電編碼器長(zhǎng)。結(jié)果，電容式編碼器的封裝尺寸變小，在整個(gè)分辨率范圍內(nèi)僅消耗6～18mA的低電流，因此更適合電池驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。與磁性編碼器相比，考慮到電容式技術(shù)的堅(jiān)固性、精度和分辨率，磁性編碼器暴露于電磁干擾和電噪聲中不太受后者的影響。

此外，電容式編碼器的數(shù)字特性在靈活性和可編程性方面提供了重要優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)楣怆娋幋a器或磁性編碼器的分辨率由編碼器輪決定，所以如果需要其他分辨率，每次都需要使用新編碼器，這會(huì)增加設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程的時(shí)間和成本。但是，電容式編碼器具有各種可編程分辨率，因此設(shè)計(jì)者不必每次需要新分辨率時(shí)就更換編碼器，不僅降低了庫(kù)存，還簡(jiǎn)化了PID控制環(huán)路的微調(diào)和系統(tǒng)優(yōu)化。關(guān)于BLDC馬達(dá)的整流，使用靜電電容式編碼器的話，索引脈沖的數(shù)字對(duì)準(zhǔn)和調(diào)整成為可能。這可能是光電編碼器重復(fù)且耗時(shí)的工作。內(nèi)置的診斷功能允許設(shè)計(jì)者進(jìn)一步訪問(wèn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，優(yōu)化系統(tǒng)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)故障排除。


圖3電容技術(shù)、光電技術(shù)、磁技術(shù)主要績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)的比較

小結(jié)

在許多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，溫度、振動(dòng)和環(huán)境污染物是編碼器必須克服的關(guān)鍵問(wèn)題。我們發(fā)現(xiàn)電容式編碼器可以克服這些挑戰(zhàn)。與光電或磁性技術(shù)相比，它為設(shè)計(jì)者提供了可靠、準(zhǔn)確、靈活的解決方案。此外，電容編碼器還為最新的IoT和工業(yè)IoT應(yīng)用程序添加了更適合的數(shù)字功能--可編程性和診斷功能。

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