編碼器基礎(chǔ)知識(shí)大掃盲
編碼器在運(yùn)動(dòng)控制類產(chǎn)品中比較常見,旋轉(zhuǎn)編碼器都是組成運(yùn)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(shè)備和過程控制、機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備、能源、航空航天等。
作為將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(shù)據(jù),用以優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)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,要確定哪種技術(shù)最適合最終應(yīng)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(quán)衡。
1光電編碼器多年來,光學(xué)編碼器一直都是運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)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(cè)。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(zhuǎn)時(shí),LED 光路被碼盤上間隔排列的線或槽阻斷,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(zhuǎn)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(圖片來源:CUI Devices)
盡管光學(xué)編碼器應(yīng)用廣泛,但仍有幾點(diǎn)缺陷,在工業(yè)應(yīng)用等多塵且骯臟的環(huán)境中,污染物會(huì)堆積在碼盤上,從而阻礙 LED 光透射到光學(xué)傳感器。
由于受污染的碼盤可能會(huì)導(dǎo)致方波不連續(xù)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(dǎo)致編碼器故障。此外,玻璃或塑料碼盤容易因振動(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(yīng)用中的適用范圍;將其組裝到電機(jī)上不僅耗時(shí),而且受污染的風(fēng)險(xiǎn)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(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備或電池供電設(shè)備。
碼盤的任何轉(zhuǎn)動(dòng)都會(huì)使這些傳感器產(chǎn)生響應(yīng),而產(chǎn)生的信號(hào)將傳輸至信號(hào)調(diào)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(yīng)用。
不過,電機(jī)(尤其是步進(jìn)電機(jī))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(yuǎn)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(zhuǎn)子、固定****和固定接收器。電容感應(yīng)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(dòng)元件上,以構(gòu)成可變電容器,并配置成一對接收器/****。
轉(zhuǎn)子上蝕刻了正弦波紋路,隨著電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng),這種紋路可產(chǎn)生特殊但可預(yù)測的信號(hào)。隨后,該信號(hào)經(jīng)由編碼器的板載 ASIC 轉(zhuǎn)換,以計(jì)算軸的位置和旋轉(zhuǎn)方向。圖 2:編碼器碼盤的比較(圖片來源:CUI Devices)
由于無需 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(dá)到預(yù)期的效果。
此外,相比光學(xué)編碼器使用的玻璃碼盤,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?yàn)殡娙菔骄幋a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。
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(nèi)電流消耗更小,只有 6 至 18 mA,這就使它更適合電池供電應(yīng)用。
鑒于電容式技術(shù)的穩(wěn)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(shù)字特性也能帶來關(guān)鍵優(yōu)勢。因?yàn)楣鈱W(xué)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(shí),每次都要使用新的編碼器,以致于設(shè)計(jì)和制造過程的時(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(shè)計(jì)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,而且簡化了 PID 控制回路的微調(diào)和系統(tǒng)優(yōu)化。
涉及 BLDC 電機(jī)換向時(shí),電容式編碼器允許數(shù)字對準(zhǔn)和索引脈沖設(shè)置,而這項(xiàng)任務(wù)對于光學(xué)編碼器而言可能既反復(fù)、又耗時(shí)。
內(nèi)置的診斷功能使設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)一步訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù),用以優(yōu)化系統(tǒng)或現(xiàn)場排除故障。
圖 3:電容式、光學(xué)式和磁式技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)比較(圖片來源:CUI Devices)
5如何選擇?
在許多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中,溫度、振動(dòng)和環(huán)境污染物都是編碼器必須應(yīng)對的重要挑戰(zhàn)因素。事實(shí)證明,電容式編碼器可以+克服這些挑戰(zhàn)。與光學(xué)式或磁式技術(shù)相比,它可為設(shè)計(jì)人員提供可靠、精準(zhǔn)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(shù)字特性使其更適合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用。
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