多年來，光學(xué)編碼器一直是運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用市場的熱門選擇。 由LED光源(通常為紅外光源)和光電探測器組成，分別位于編碼器代碼的兩側(cè)。
光學(xué)式、磁性、靜電電容式是工程師可以使用的三種主要編碼器技術(shù)。 但是，為了判斷哪個(gè)技術(shù)適合zui終應(yīng)用，需要考慮幾個(gè)因素。 為協(xié)助工程師的選擇，概述光學(xué)式、磁性、靜電電容式3種編碼器技術(shù)，并概述各技術(shù)的利弊權(quán)衡。
1光學(xué)編碼器
多年來，光學(xué)編碼器一直是運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用市場的熱門選擇。 由LED光源(通常為紅外光源)和光電探測器組成，分別位于編碼器代碼的兩側(cè)。 代碼盤由塑料和玻璃制成，上面排列著透光的線和槽。 當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，LED的光路被碼盤上間隔排列的線或槽所阻斷，生成兩個(gè)典型的方波a和b的正交脈沖，可以用來決定軸的旋轉(zhuǎn)和速度。

包含索引脈沖的光學(xué)編碼器的典型的a和b的正交脈沖
光學(xué)編碼器應(yīng)用廣泛，但存在一些缺點(diǎn)。 在工業(yè)應(yīng)用等灰塵多、臟的環(huán)境中，污染物會(huì)堆積在碼盤上，阻礙LED光透過光學(xué)傳感器。 由于受污染的編碼盤可能會(huì)導(dǎo)致方波不連續(xù)或完全丟失，因此嚴(yán)重影響光學(xué)編碼器的可靠性和精度。 LED的壽命有限，zui終會(huì)燒毀，從而導(dǎo)致編碼器故障。 此外，玻璃和塑料編碼盤在振動(dòng)和極端溫度下容易破損，因此光學(xué)編碼器在惡劣環(huán)境用途中的應(yīng)用范圍受到限制。 將其組裝到電動(dòng)機(jī)上不僅需要時(shí)間，而且污染的風(fēng)險(xiǎn)也很大。 zui后，如果光學(xué)編碼器的分辨率較高，則會(huì)消耗100mA以上的電流，進(jìn)一步影響其在移動(dòng)設(shè)備和電池供電設(shè)備上的應(yīng)用。
雙磁性編碼器
磁編碼器的結(jié)構(gòu)與光學(xué)編碼器相似，但利用的不是光束而是磁場。 磁編碼器使用磁碼盤代替帶槽的光電碼盤，具有在磁碼盤上隔開間隔排列的磁極，在一列霍爾效應(yīng)傳感器或磁阻傳感器上旋轉(zhuǎn)。 碼盤的任何旋轉(zhuǎn)都會(huì)響應(yīng)這些傳感器，產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)被傳送到信號(hào)調(diào)整前端電路，以確定軸的位置。 磁性編碼器的耐久性、耐振動(dòng)性、沖擊性優(yōu)于光學(xué)編碼器。 此外，遇到灰塵、污垢、油污等污染物時(shí)，光學(xué)編碼器的性能會(huì)大幅降低，但磁性編碼器不會(huì)受到影響，因此zui適合在惡劣環(huán)境中使用。 但是，電機(jī)(特別是步進(jìn)電機(jī))產(chǎn)生的電磁噪聲對磁編碼器產(chǎn)生很大的影響，溫度變化會(huì)導(dǎo)致位置漂移。 另外，磁性編碼器的分辨率和精度相對較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如光學(xué)式和靜電容量式編碼器。3電容器式編碼器
電容式編碼器由轉(zhuǎn)子、固定發(fā)射器、固定接收器三部分構(gòu)成。 電容感應(yīng)使用條紋狀或線狀的條紋，一個(gè)極位于固定元件上，另一個(gè)極位于移動(dòng)元件上，構(gòu)成可變電容器，被配置為一對接收器/發(fā)送器。 轉(zhuǎn)子上被蝕刻了正弦波的條紋，隨著電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)，該條紋會(huì)產(chǎn)生特殊且可預(yù)測的信號(hào)。 然后，該信號(hào)通過編碼器的板載ASIC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算光軸的位置和旋轉(zhuǎn)方向。

編碼器代碼的比較
電容式編碼器的優(yōu)點(diǎn)電容式編碼器的工作原理與數(shù)字游標(biāo)卡尺相同，因此提供了克服光學(xué)編碼器和磁性編碼器諸多缺點(diǎn)的解決方案。 另外，與光學(xué)編碼器使用的玻璃編碼盤相比，不易受到振動(dòng)和非常高/低溫的影響。 如上所述，電容式編碼器的壽命往往比光學(xué)編碼器長，因?yàn)長ED不會(huì)燒毀。 因此，電容式編碼器的封裝尺寸變小，分辨率范圍整體的電流消耗變小為18mA，適合電池驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。 電容式技術(shù)比磁編碼器具有更高的魯棒性、精度和分辨率，因此后者面臨的電磁干擾和電噪聲影響較小。 另外，電容式編碼器的數(shù)字特性在靈活性和可編程性方面也具有重要的優(yōu)點(diǎn)。 由于光學(xué)或磁性編碼器的分辨率由編碼器代碼決定，因此需要其他分辨率時(shí)，每次都會(huì)使用新的編碼器，從而增加設(shè)計(jì)和制造過程的時(shí)間和成本。 但是，由于電容式編碼器具有一系列可編程分辨率，因此設(shè)計(jì)者每次需要新分辨率時(shí)都可以省去更換編碼器的麻煩，不僅庫存減少，而且PID控制電路的微調(diào)和系統(tǒng)的優(yōu)化也變得簡單了。 電容式編碼器與BLDC電機(jī)的換流相關(guān)聯(lián)，可以設(shè)定數(shù)字對準(zhǔn)和索引脈沖。 對于光學(xué)編碼器來說，這個(gè)任務(wù)可能是重復(fù)的，并且需要時(shí)間。 內(nèi)置的診斷功能允許設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以優(yōu)化系統(tǒng)或現(xiàn)場進(jìn)行故障診斷。

電容式、光學(xué)式、磁性技術(shù)關(guān)鍵性能指標(biāo)的比較
研究選項(xiàng)
在許多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，溫度、振動(dòng)、環(huán)境污染物是編碼器須應(yīng)對的重要課題因素。 實(shí)踐證明，電容式編碼器能夠克服這些課題。 與光學(xué)或磁性技術(shù)相比，它為設(shè)計(jì)師提供了可靠、準(zhǔn)確、靈活的解決方案。 另外，電容式編碼器還增加了適用于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)(IoT  )和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT  )應(yīng)用的編程性和診斷功能。

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