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编码器技术的利弊权衡
添加时间:2021-3-25 14:33:49 出处: 作者: 点击:46

在多种应用中,旋转编码器都是组成运动控制反馈回路的关键元器件,包括工业自动化设备和过程控制、机器人技术、医疗设备、能源、航空航天等。作为将机械运动转换为电信号的器件,编码器可为工程师提供位置、速度、距离和方向等基本数据,用以优化整个系统的性能。


光学式、磁式和电容式是可供工程师使用的三种主要编码器技术。不过,要确定哪种技术最适合最终应用,还需要考虑一些因素。为了帮助工程师选型,本文将概述光学式、磁式和电容式三种编码器技术,并且略述各种技术的利弊权衡。


编码器技术概述


光学编码器


多年来,光学编码器一直都是运动控制应用市场的热门选择。它由 LED 光源(通常是红外光源)和光电探测器组成,二者分别位于编码器码盘两侧。码盘由塑料或玻璃制成,上面间隔排列着一系列透光和不透光的线或槽。码盘旋转时,LED 光路被码盘上间隔排列的线或槽阻断,从而产生两路典型的方波 A 和 B 正交脉冲,可用于确定轴的旋转和速度。

尽管光学编码器应用广泛,但仍有几点缺陷。在工业应用等多尘且肮脏的环境中,污染物会堆积在码盘上,从而阻碍 LED 光透射到光学传感器。由于受污染的码盘可能会导致方波不连续或完全丢失,因而极大地影响了光学编码器的可靠性和精度。LED 的使用寿命有限,最终总会烧坏,从而导致编码器故障。此外,玻璃或塑料码盘容易因振动或极端温度而损坏,因而限制了光学编码器在恶劣环境应用中的适用范围;将其组装到电机上不仅耗时,而且受污染的风险更大。最后,如果光学编码器的分辨率较高,则会消耗 100 mA 以上的电流,进一步影响了它应用于移动设备或电池供电设备。
磁性编码器
磁性编码器的结构与光学编码器类似,但它利用的是磁场,而非光束。磁性编码器使用磁性码盘替代带槽光电码盘,磁性码盘上带有间隔排列的磁极,并在一列霍尔效应传感器或磁阻传感器上旋转。码盘的任何转动都会使这些传感器产生响应,而产生的信号将传输至信号调理前端电路以确定轴的位置。相较于光学编码器,磁性编码器的优势在于更耐用、抗振和抗冲击。而且,在遇到灰尘、污垢和油渍等污染物的情况下,光学编码器的性能会大打折扣,磁性编码器却不受影响,因此非常适合恶劣环境应用。
不过,电机(尤其是步进电机)产生的电磁干扰会对磁性编码器造成极大的影响,并且温度变化也会使其产生位置漂移。此外,磁性编码器的分辨率和精度相对较低,在这方面远不及光学和电容式编码器。
电容式编码器
电容式编码器主要由三部分组成:转子、固定发射器和固定接收器。电容感应使用条状或线状纹路,一极位于固定元件上,另一极位于活动元件上,以构成可变电容器,并配置成一对接收器/发射器。转子上蚀刻了正弦波纹路,随着电机轴的转动,这种纹路可产生特殊但可预测的信号。随后,该信号经由编码器的板载 ASIC 转换,以计算轴的位置和旋转方向。

电容式编码器的优点
电容式编码器的工作原理与数字游标卡尺相同,因此它所提供的解决方案克服了光学和磁性编码器的许多缺点。事实证明,CUI Devices 的 AMT 编码器系列 所采用的这种基于电容的技术具有高可靠性、高精度的特性。由于无需 LED 或视距,即使遇到会对光学编码器产生不利影响的环境污染物(如灰尘、污垢和油渍),电容式编码器也能达到预期的效果。此外,相比光学编码器使用的玻璃码盘,它更不容易受到振动和极高/极低温度的影响。如前所述,因为电容式编码器不存在 LED 烧坏的情况,所以使用寿命往往比光学编码器长。因此,电容式编码器的封装尺寸更小,在整个分辨率范围内电流消耗更小,只有 6 至 18 mA,这就使它更适合电池供电应用。鉴于电容式技术的稳健性、精度和分辨率均比磁性编码器高,因而后者所面临的电磁干扰和电气噪声对它的影响并不大。
此外,在灵活性和可编程性方面,电容式编码器的数字特性也能带来关键优势。因为光学或磁性编码器的分辨率是由编码器码盘决定,所以需要其他分辨率时,每次都要使用新的编码器,以致于设计和制造过程的时间和成本均会有所增加。然而,电容式编码器具有一系列可编程的分辨率,为设计人员免去了每次需要新的分辨率时就要更换编码器的麻烦,这不仅减少了库存,而且简化了 PID 控制回路的微调和系统优化。涉及 BLDC 电机换向时,电容式编码器允许数字对准和索引脉冲设置,而这项任务对于光学编码器而言可能既反复、又耗时。内置的诊断功能使设计人员可以进一步访问系统数据,用以优化系统或现场排除故障。

权衡选项
在许多运动控制应用中,温度、振动和环境污染物都是编码器必须应对的重要挑战因素。事实证明,电容式编码器可以克服这些挑战。与光学式或磁式技术相比,它可为设计人员提供可靠、精准且灵活的解决方案。此外,电容式编码器还增加了可编程性和诊断功能,这种数字特性使其更适合现代物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 应用。



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