三種編碼器技術的詳細說明：各有優缺點，如何選擇？

旋轉編碼器是運動控制反饋回路在工業自動化設備和過程控制、機器人工程、醫療設備、能源和航空航天等各種應用中的重要組成部分。作為將機械運動轉換為電信號的設備，編碼器向工程師提供位置、速度、距離、方向等重要數據，優化系統整體性能。

光電、磁性和電容是工程師可以使用的三種主要編碼器技術。但是，在確定最適合最終用途的技術時，有幾個需要考慮的因素。為了幫助您選擇工程師，西安德伍拓公司技術員提供了光電、磁性和電容編碼器技術的概述，并介紹了各自的折衷。

光電編碼器

光電編碼器多年來一直是運動控制應用市場上的熱門選擇。它由放置在編碼器盤兩側的LED光源（通常為紅外線光源）和光電探測器組成。光盤由塑料或玻璃制成，一系列不透明、透光的線條或狹縫隔開間隔。磁盤旋轉時，指示燈的光路會被磁盤上隔開間隔的線或狹縫阻塞，從而生成兩個典型的方形波A和B正交脈沖，它們可用于確定樹的旋轉和速度。


 圖1光電編碼器的典型A和B正交脈沖（包括索引脈沖）

光電編碼器被廣泛使用，但它有一些缺點。在工業應用程序等灰塵和污垢較多的環境中，污染物可能會堆積在編碼器車輪上，導致LED光無法傳遞給光傳感器。光電編碼器的可靠性和準確性可能受到臟碼盤的很大影響，方波可能不連續或完全丟失。LED壽命有限，最終會燃盡，編碼器故障。此外，玻璃或塑料編碼器容易受到極端振動和極端溫度的損壞，限制了光電編碼器在嚴酷環境中的應用范圍。把它們組裝成發動機需要很長時間，污染的風險會增加。最后，如果光電編碼器的分辨率較高，則會消耗100mA或更高的分辨率，從而進一步影響移動和電池驅動設備上的應用程序。

磁性編碼器

磁性編碼器與光電編碼器的結構相似，但使用磁場代替光束。磁性編碼器將帶槽光電編碼器替換為在霍爾效應傳感器或磁阻傳感器陣列上旋轉的空間極磁性編碼器。編碼器控制盤旋轉時，這些傳感器會發生反應，結果信號會傳遞給前端信號調整電路，以確定軸的位置。與光電編碼器相比，磁性編碼器具有耐久性、抗振動、抗沖擊的優點。而且，光電編碼器的性能在灰塵、污垢、油等污染物的存在下會受到很大損失，但磁性編碼器不受影響，因此最適合在嚴酷環境中應用。

但是，來自電機（特別是步進電機）的電磁干擾可能會對磁性編碼器產生很大影響，溫度變化也可能引起位置漂移。而且，磁性編碼器的分辨率和精度比較低，在這一點上不如光電式編碼器和靜電電容式編碼器好。

電容式編碼器

電容式編碼器主要由轉子、固定發射機和固定接收機三部分組成。

在電容傳感中，一個極位于固定元件上，另一個極位于活動元件上的電線條或圖案用于形成一對接收器/發射器的可變電容器。轉子上刻蝕正弦波，生成馬達軸旋轉時特別且可預測的信號。該信號通過編碼器的板載ASIC進行轉換，以計算軸的位置和旋轉方向。


圖2編碼器磁盤比較

電容編碼器的工作原理與數字游標卡尺相同，因此它提供了一種解決方案來克服光電和磁性編碼器的許多缺點。這種基于電容的技術被證明是非常可靠和準確的。不需要LED或視線的電容式編碼器，即使有可能危害光電編碼器的灰塵、污垢、油等環境污染物，也能按照預期發揮作用。另外，與光電式編碼器中使用的玻璃盤相比，不易受到振動和極端高溫/低溫的影響。如前所述，電容式編碼器沒有LED的老化，因此壽命比光電編碼器長。結果，電容式編碼器的封裝尺寸變小，在整個分辨率范圍內僅消耗6～18mA的低電流，因此更適合電池驅動的應用。與磁性編碼器相比，考慮到電容式技術的堅固性、精度和分辨率，磁性編碼器暴露于電磁干擾和電噪聲中不太受后者的影響。

此外，電容式編碼器的數字特性在靈活性和可編程性方面提供了重要優點。因為光電編碼器或磁性編碼器的分辨率由編碼器輪決定，所以如果需要其他分辨率，每次都需要使用新編碼器，這會增加設計和開發過程的時間和成本。但是，電容式編碼器具有各種可編程分辨率，因此設計者不必每次需要新分辨率時就更換編碼器，不僅降低了庫存，還簡化了PID控制環路的微調和系統優化。關于BLDC馬達的整流，使用靜電電容式編碼器的話，索引脈沖的數字對準和調整成為可能。這可能是光電編碼器重復且耗時的工作。內置的診斷功能允許設計者進一步訪問系統數據，優化系統，并進行現場故障排除。


圖3電容技術、光電技術、磁技術主要績效評價指標的比較

小結

在許多運動控制應用中，溫度、振動和環境污染物是編碼器必須克服的關鍵問題。我們發現電容式編碼器可以克服這些挑戰。與光電或磁性技術相比，它為設計者提供了可靠、準確、靈活的解決方案。此外，電容編碼器還為最新的IoT和工業IoT應用程序添加了更適合的數字功能--可編程性和診斷功能。

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