旋轉編碼器的設計

智能旋轉換向編碼器提供輸出選項、簡單調零、簡化BOM和基于PC的見解。

新方法開啟新機遇

一直以來編碼器用戶都不愿意改變，因為一些聲稱可提供卓越性能和可靠性的創(chuàng)新電機控制技術，必須擁有出色的紀錄和往績來作為支持，才可以用于工作場地或工業(yè)裝置。雖然光學編碼器和磁編碼器歷史悠久，而且基于看似“更具體”的物理概念，但是電容式編碼器亦是基于經(jīng)過全面試驗的原理，并且已經(jīng)通過多年來在現(xiàn)場的成功實際應用中得到證明。這種不同于運動感測的數(shù)字式交替方法提供了許多益處，為利用旋轉換向編碼器的設計人員提供了全新的智能水平。

旋轉編碼器對于幾乎所有運動-控制應用來說都很關鍵，由于無刷直流電動機(BLDC)使用增加，使得旋轉編碼器的需求進一步擴大，而且提供了控制、精度和效率等方面的諸多益處。編碼器的任務很簡單，原則上就是：向系統(tǒng)控制器指示電機軸的位置，請參考圖1.控制器可以利用這信息準確高效地給電機繞組轉向以及確定速度、方向和加速，這些是運動控制回路維持電機性能要求所需要的參數(shù)。

圖1 旋轉編碼器提供電機軸方向、位置、速度和加速信息

編碼器可以基于各種技術，這些技術提供標準的A和B正交信號數(shù)字輸出，某些型號還提供索引輸出，請參考圖2a.換向編碼器(下面將進行更全面的說明)還提供U、V和W換-相的信道輸出，請參考圖2b.

圖2a 光學編碼器標準A和B正交信號及索引信號

圖2b 換向編碼器產(chǎn)生的U、V和W波形

編碼器技術

最著名的三種編碼器方法分別基于光學技術、磁技術或電容技術。簡單來說，光學技術采用帶槽圓盤，一側是LED，而光電晶體管在相對的一側。當圓盤轉動時，光程被阻斷，得到的脈沖指示軸的轉動和方向。雖然光學方法成本低且效率高，但是以下兩個因素使得光學編碼器的可靠性下降：污垢、灰塵和油脂等污染物會干擾光程，及LED的使用壽命有限，通常幾年之內(nèi)其亮度損失過半，最終被燒壞。

除了利用磁場而非光束之外，磁編碼器的結構與光學編碼器類似。磁編碼器用磁盤代替帶槽光輪，磁盤在一組磁阻傳感器上轉動，在這些傳感器中產(chǎn)生響應，傳遞給信號-調節(jié)前端電路，用于確定軸的位置。雖然這種編碼器的耐用性較高，但是容易受到電機產(chǎn)生的電磁干擾影響，準確性不如光學編碼器。

第三種方法，即電容式編碼方法，具有光學編碼器和磁編碼器的所有優(yōu)點，但是卻沒有它們的缺點。這種技術利用的原理與成熟、低成本而且精密的數(shù)字游標卡尺相同。它具有兩個柱狀或線狀型式，一個在固定元件上，另一個在運動元件上，兩者一起形成了一個配置為發(fā)送器/接收器對的可變電容器，請參考圖3.當編碼器轉動時，一體式ASIC對這些線的變化進行計數(shù)，并利用內(nèi)插法尋找軸的位置和轉動方向，建立標準的正交輸出，以及其它編碼器提供的換向輸出，用于控制無刷直流(BLDC)電機。

這種電容式技術的優(yōu)點是不會磨損，不受工業(yè)環(huán)境中常見的灰塵、污垢和油脂等污染物質的影響，使其本質上比光學編碼器更可靠。電容式編碼器還具有其數(shù)字控制特征帶來的性能優(yōu)勢，包括調節(jié)編碼器分辨率的能力(脈沖/轉數(shù))，不需要更換為分辨率更高或更低的編碼器。

圖3 電容式編碼器對收到的與電機軸連接的轉子發(fā)送的信號調制脈沖進行計數(shù)

最佳選擇

CUI全新AMT31系列是先進電容式編碼器的典范，提供A和B正交信號、索引信號以及U、V和W換-相的信號。它在48-4096脈沖/轉(PPR)之間具有20個可選遞增分辨率，2-20之間共7個電機極-對。AMT31系列還具有鎖定轂，使安裝容易。它從5 V電源軌操作，僅需16 mA供電電流。