旋轉(zhuǎn)編碼器能提供關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的關(guān)鍵信息，因此也能提供轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和加速度等信息。 這些編碼器是工業(yè)、機(jī)器人、航空航天、能源和自動(dòng)化應(yīng)用中的關(guān)鍵部件。 這些裝置要求編碼器性能優(yōu)良、長期可靠、經(jīng)久耐用，從而能經(jīng)常在多塵、多污染、多溫變和強(qiáng)振的惡劣環(huán)境下工作。 隨著需要精確運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用不斷增多，對(duì)編碼器的需求也在急劇增加。
一直以來，設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)是在兩種最常見的編碼器技術(shù)：光學(xué)和磁性之間作出取舍。 光學(xué)方法可提供最佳的精度，但可靠性會(huì)有所降低；磁性方法則可提供更高的耐用性，但準(zhǔn)確性會(huì)有所不足。 雖然一些設(shè)計(jì)可以完全避免使用編碼器，但實(shí)際上編碼器是絕大多數(shù)控制/反饋環(huán)路中十分重要的環(huán)節(jié)（請(qǐng)參閱附錄 1“無傳感器設(shè)計(jì)怎么樣？”）。
編碼器技術(shù)需要作出取舍
通常，標(biāo)準(zhǔn)編碼器提供 48 到 2048 的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù) (ppr)，而大多數(shù)應(yīng)用需要 800 到 1024 ppr。 雖然較高的 ppr 似乎能提供更高的表觀精度，但這更昂貴也更復(fù)雜，從而將加重關(guān)閉環(huán)路的系統(tǒng)控制器或數(shù)字處理器上的計(jì)算和處理負(fù)擔(dān)。 除了不必要之外，由于軸位置中的噪聲、振動(dòng)和抖動(dòng)，過高的精確度實(shí)際上還可能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。
大多數(shù)軸編碼器都基于光學(xué)或磁性原理。 光學(xué)方法使用玻璃或塑料圓盤，該圓盤具有兩組窗口圍繞著圓柱體表面（圖 1）。 LED 光源和光電探測器位于圓盤的相對(duì)兩側(cè)；當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光線穿過窗口的開關(guān)提供了典型的方波 A 和 B 正交脈沖。
圖 1：當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光學(xué)編碼器通過檢測光線穿過窗口的方式來工作。
雖然光學(xué)方法的使用很成功，但仍有一些缺點(diǎn)。 關(guān)于耐用性，所有在組裝期間及使用過程中隨著時(shí)間的推移而出現(xiàn)污垢、油和其它污染物等因素，都可以很容易地干擾圓盤和缺口，從而干擾編碼器輸出。 緩解暴露于污染物這一狀況的傳統(tǒng)方法是將編碼器放在鐘形外殼內(nèi)。 不幸的是，這種方法并不能完全消除對(duì)環(huán)境污染物的暴露。 此外，這種方法還在整體情況中引入了新的因素，其中包括溫度升高和較高的應(yīng)用成本。
此外，光學(xué)編碼器中 LED 的使用壽命有限，其亮度會(huì)在 10,000 至 20,000 小時(shí)（大約一到兩年）內(nèi)減少一半，最終將會(huì)熄滅。 如果為了降低成本而使用塑料制作圓盤，那么溫度范圍將會(huì)很有限，并且任何扭曲和變形都會(huì)影響精度。
磁性編碼器的結(jié)構(gòu)類似于光學(xué)編碼器，只是它利用的是磁場而非光束。 它使用磁性圓盤替代帶缺口光學(xué)滾輪，磁性圓盤在磁阻傳感器陣列上轉(zhuǎn)動(dòng)。 滾輪的任何轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)在這些傳感器中產(chǎn)生響應(yīng)，這些響應(yīng)信號(hào)傳遞給信號(hào)調(diào)節(jié)前端電路，以確定軸的位置。 雖然很耐用，但磁性編碼器不夠準(zhǔn)確，且非常容易受電機(jī)（尤其是步進(jìn)電機(jī)）磁場干擾。
除了光學(xué)和磁性編碼器之外，霍爾效應(yīng)傳感器也可用于位置編碼。 雖然霍爾效應(yīng)傳感器有效、可靠，但是它們僅適用于相對(duì)低精度/分辨率的軸位置確定。
基于成熟設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方法
考慮到對(duì)準(zhǔn)確、精密和耐用旋轉(zhuǎn)位置編碼的需求，CUI 尋找過其它可用的電子技術(shù)。 他們的解決方案是采用標(biāo)準(zhǔn)線性位置編碼器的電容感應(yīng)工作原理，這是 30 多年前為游標(biāo)卡尺而開發(fā)的（請(qǐng)參閱附錄 2“從卡尺到編碼器”）。 因此而產(chǎn)生了一種稱為 AMT 的高度耐用、準(zhǔn)確的旋轉(zhuǎn)編碼器平臺(tái)。
電容感應(yīng)使用桿狀或線狀型式，一個(gè)位于固定元件，另一個(gè)位于活動(dòng)元件上，構(gòu)成配置為接收器/發(fā)射器配對(duì)的可變電容器（圖 2）。 當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)，專用集成電路 (ASIC) 會(huì)對(duì)線條變化進(jìn)行計(jì)數(shù)，還會(huì)進(jìn)行插值以確定編碼器的精確位置和旋轉(zhuǎn)方向。
圖 2：當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容式編碼器通過感應(yīng)電容變化方式進(jìn)行工作。
根據(jù)設(shè)計(jì)，編碼器的 ASIC 電力輸出與光學(xué)和磁性編碼器完全兼容。 這種非接觸式編碼器實(shí)現(xiàn)方式對(duì)于用戶來說有多個(gè)明顯的優(yōu)勢：
因?yàn)?AMT 編碼器系列不需要 LED 或視距，所以經(jīng)常被用于現(xiàn)有編碼器皆不適用的應(yīng)用之中。 在一個(gè)案例中，一家制造商的烘烤自動(dòng)化設(shè)備在客戶的工廠重復(fù)且頻繁地停機(jī)，由于粉塵和其它污染物會(huì)影響關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備上的光學(xué)編碼器，因而需要每月關(guān)機(jī)、更換和重新調(diào)零。 當(dāng)光學(xué)裝置更換成電容裝置之后，這個(gè)問題便消失了。 在另一個(gè)案例中，由于與應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的高壓，海上鉆探設(shè)備的制造商要求將整個(gè)電機(jī)組件侵在油中。 他們選擇了電容式編碼器，因?yàn)檫@種編碼器能夠在諸如油等絕緣液體中不間斷地工作。
還有另外一個(gè)不太明顯的好處，那就是對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，可以微調(diào)比例積分微分 (PID) 控制環(huán)路：能夠調(diào)節(jié)編碼器的 ppr 計(jì)數(shù)以優(yōu)化性能，而無需更換編碼器。 這種動(dòng)態(tài)修改分辨率的能力大大簡化了系統(tǒng)的優(yōu)化過程，通常是通過調(diào)整代碼或者通過更改編碼器的線條數(shù)（分辨率）來完成該過程。 如果使用光學(xué)編碼器，后面的這個(gè)過程需要購買和安裝不同的編碼器，從而增加了整體成本并延長了設(shè)計(jì)周期。 如果使用電容式編碼器，控制工程師可以簡單地指示編碼器的線條計(jì)數(shù)參數(shù)的變化，直到獲得所需的控制環(huán)路結(jié)果。
即使在安裝和生產(chǎn)中，電容式編碼器也會(huì)帶來其它好處。 從機(jī)械上講，其安裝孔也與其它編碼器類型匹配，使之成為配合與功能均兼容的元件（圖 3）。 因此，只需使用轉(zhuǎn)接套管，便可將單個(gè)編碼器安裝到不同直徑的軸上，這降低了生產(chǎn)和維修庫存中 SKU（庫存單位）的數(shù)量。
圖 3：AMT 編碼器的安裝孔匹配兼容的非電容式編碼器。
從電容變送器和定制 ASIC 電氣接口構(gòu)建而來的編碼器的通用性從 CUI, Inc. 的 AMT11 可見一斑（圖 4）。 這款直徑為 37 mm、厚度為 10.34 mm 小外形元件使用 +5 V 電源供電。 它同時(shí)提供單端 CMOS 增量位置正交 (90?) 和差分線路驅(qū)動(dòng)器輸出，這些輸出在電氣上與傳統(tǒng)的光學(xué)或磁性編碼器信號(hào)兼容。 此外，還提供了廣泛的可編程分辨率選擇（范圍為 48 到 4096 ppr），以及每轉(zhuǎn)一次的索引脈沖。 軸向和徑向連接方向的可用性取決于應(yīng)用要求以及 -40°C 至 105°C 的工作溫度范圍，以便增加耐用性。
圖 4：CUI 的 AMT11 編碼器。
像任何電子變送器及相關(guān)電路一樣，電容式編碼器也可能存在一個(gè)問題，即對(duì)電氣噪聲和干擾 (EMI) 的敏感度。 對(duì) ASIC 接口電路的精心設(shè)計(jì)以及對(duì)編碼器解調(diào)算法的微調(diào)減輕了這些問題。 ASIC 還提供了機(jī)會(huì)，讓將來的設(shè)計(jì)也包含嵌入式板載診斷，作為更智能編碼器和子系統(tǒng)的一部分，驗(yàn)證編碼器機(jī)制和 ASIC 本身的性能。
隨著基于電容式感應(yīng)原理的實(shí)地測試編碼器的廣泛采用，設(shè)計(jì)工程師不再需要在光學(xué)和磁性編碼器強(qiáng)制要求的特性之間作出艱難的選擇：短期和長期的可靠性與輸出精度。 電容式編碼器具備這兩種特性，并且在機(jī)械安裝、庫存、ppr 選擇、讀數(shù)調(diào)零和功耗方面具有更多優(yōu)勢，所有這些都與標(biāo)準(zhǔn)輸出完全兼容。
附錄 1：無傳感器設(shè)計(jì)怎么樣？
除了使用 BLDC 電機(jī)之外，還有另外一個(gè)小趨勢：使用無需編碼器指示軸位置的無傳感器設(shè)計(jì)。 這些電機(jī)通過多種算法控制，其中包括場定向控制（FOC—也稱為矢量控制）。
雖然無需再使用編碼器在理論上具有一定的吸引力，但是 FOC 方法仍然有一些缺點(diǎn)：不像基于傳感器的設(shè)計(jì)一樣精確，可能會(huì)丟失位置并需要重新設(shè)置，在扭矩范圍中的一些點(diǎn)上存在控制問題，以及需要系統(tǒng)處理器進(jìn)行大量的計(jì)算。 因此，這種設(shè)計(jì)主要用于軸位置與速度的較高精度和一致性不是特別重要的應(yīng)用中，如消費(fèi)類電器（洗衣機(jī)、烘干機(jī)）。 但是，對(duì)于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用而言，編碼器的顯性“成本”與性能要求相比還是更加值得的。
附錄 2：從卡尺到旋轉(zhuǎn)編碼器
電容感應(yīng)通常用于觸摸式開關(guān)，其中用戶的手指充當(dāng)電容器的第二板極。 接口電路會(huì)感應(yīng)到電容的任何變化，從而模擬傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品按鈕的功能；它們通常用于“開放式”或公共應(yīng)用中，如電梯和人行橫道。 觸摸式開關(guān)以其防污垢、水和整體濫用性的能力而著稱，因?yàn)樗鼈冊(cè)趦?nèi)部沒有移動(dòng)零件，且唯一暴露的零件是一個(gè)與安裝表面齊平的小金屬片。
電容感應(yīng)的用途超越了基本開關(guān)（無論是作為單個(gè)元件，還是在陣列中），比如普遍用于大眾市場中的數(shù)顯卡尺。 Ingvar Andermo 是斯德哥爾摩 IM 研究院的一位電氣工程師，30 多年前曾使用電容技術(shù)開發(fā)一種票據(jù)讀取應(yīng)用。 C.E. Johansson 與 Andermo 討論使用磁阻技術(shù)開發(fā)數(shù)顯卡尺，但 Andermo 認(rèn)為這種方法過于復(fù)雜，并決定利用他在電容感應(yīng)方面的經(jīng)驗(yàn)。
首款 Johansson 卡尺（也叫做 Jocal）在 1980 年芝加哥展覽中初次亮相。 Johansson 后來將這項(xiàng)技術(shù)授權(quán)給日本三豐，若干年后，三豐公司使用該技術(shù)推出了自己的首款數(shù)顯卡尺。 此后，數(shù)以百萬計(jì)的此類卡尺暢銷全球。
圖 5：三豐數(shù)顯卡尺。
Andermo 最后與總部設(shè)在俄勒岡州圖拉丁的 CUI Inc. 合作，使用相同的技術(shù)開發(fā) AMT 系列電容式編碼器，這次將應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)測量。 存在三個(gè)元素：一個(gè)高頻發(fā)射器、一個(gè)蝕刻有正弦金屬圖案的轉(zhuǎn)子和一個(gè)接收器板。 轉(zhuǎn)子位于發(fā)射器和接收器板之間。 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其正弦金屬圖案以可預(yù)計(jì)方式調(diào)制高頻信號(hào)。 接收器板讀取這些調(diào)制信號(hào)，專有的 ASIC 以高達(dá) 4,096 步/轉(zhuǎn)的編碼器分辨率將其轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的增量。
