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1、编码器技术的利弊权衡思考在多种应用中，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1.ED光源（通常是红外光源）和光电探测器
2、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1.ED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。5vHOv1IIMr1.njr1.r1.IM-1.r1.j1.1.图1：光学编码器的典型A和B正交脉冲，包括索引脉冲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1.ED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。1.ED的使用寿命有限，最终总会烧坏，从而导致编码
3、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100mA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
4、，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ASlC转
5、换，以计算轴的位置和旋转方向。图2：编码器码盘的比较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，CUlDeViCeS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1.ED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1.ED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
6、辨率范围内电流消耗更小，只有6至18mA,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B1.DC电机换向时，电容式编码器允许数字对准和
7、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。图3：电容式、光学式和磁式技术的关键性能指标比较CapacitiveOpticalMagneticResistancetoDirt,Dust,OilHigh1.owAccuracyHighHigh1.owTemperatureRangeWideMediumNarrowCurrentConsumption1.owHighMediumProgrammabilityYesNoNoPackageSizeSmallMediumMediumEMCImmunityHigh
8、HighHighMagneticImmunityHighHigh1.owResolutionRangeWideWideNarrow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（I。T）和工业物联网OT）应用编码器的分类与使用编码器是一种集光、机、电技术于一体的速度位移传感器。当编码器轴带动光栅盘旋转时，由发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续的光线，并被接收元件接收，
9、从而产生初始信号，经后继电路处理后输出脉冲或代码信号。编码器具有体积小、重量轻、品种多、功能全、频响高、分辨能力强、力矩小、耗能低、性能稳定、灵敏可靠、寿命长等特点。一、编码器的常见类型编码器主要用来测量机械运动的速度、位置、角度、距离或计数，除了应用在产业机械上外，许多伺服电机也都需要配备编码器，以控制电机的换向、转速及位置，应用范围非常广泛。编码器的种类也有很多，不同类型的编码器功能也有所不同，根据检测原理，编码器可以分为光学式、电磁式、感应式和电容式。根据刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式等。1.1 增量式编码器增量式编码器将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转
10、变成计数脉冲，用脉冲的个数表示计值的大小。增量式编码器在旋转时有相应的相位输出，需借助后部的判向电路和计数器来实现旋转方向的判别和脉冲数量的增减，它计数的起点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量，还可以把每转发出的一个零位脉冲Z信号作为参考机械零位，当脉冲固定而需要提高分辨率时，可利用带90度相位差A、B的两路信号对原脉冲数进行倍频。1.2 绝对值编码器绝对值编码器旋转时，有与位置一一对应的代码输出，从代码大小的变更即可判别正反方向和位移所处的位置，无需判向电路。它有一个绝对零位代码，当停电或关机后再开机重新测量时，仍可准确地读出停电或关机位置地代码，并准确地找到零位代码。一般情况下绝对值
11、编码器的测量范围为0-360度，但特殊型号也可实现多圈测量。1.3 正弦波编码器正弦波编码器也属于增量式编码器，主要的区别在于输出信号是正弦波模拟量信号，而不是数字量信号。它主要是为了满足电气领域的需要，可以用作电动机的反馈检测元件。为了保证良好的电机控制性能，编码器的反馈信号必须能够提供大量的脉冲，尤其是在转速很低的时候，采用传统的增量式编码器产生大量的脉冲，从许多方面来看都有问题，当电机高速旋转（6000rpm）时，传输和处理数字信号是困难的。在这种情况下，处理给伺服电机的信号所需带宽很容易地超过MHZ门限；而采用模拟信号大大减少了这种麻烦，并有能力模拟编码器的大量脉冲。因为采用正弦和余弦
12、信号的内插法，可以获得基本正弦的高倍增加，例如可从每转1024个正弦波的编码器中，获得每转超过1000000个脉冲。接受此信号所需的带宽只要稍许大于100kHZ即已足够，内插倍频需由二次系统完成。1.4 多圈绝对式运用钟表齿轮机械原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮、多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。二、编码器的输出信号2.1 信号序列一般编码器输出信号除A、B两相（A、B两通道的信号序列相位差为90度）外，每转一圈还输出一个零位脉冲Z。当主轴以顺时针方向旋转时，A通道信号位于B
13、通道之前；当主轴逆时针旋转时，A通道信号则位于B通道之后。从而由此判断主轴是正转还是反转。2.2 零位信号编码器每旋转一周发一个脉冲，称之为零位脉冲或标识脉冲，零位脉冲用于决定零位置或标识位置。要准确测量零位脉冲，不论旋转方向，零位脉冲均被作为两个通道的高位组合输出。由于通道之间的相位差的存在，零位脉冲仅为脉冲长度的一半。2.3 预警信号有的编码器还有报警信号输出，可以对电源故障，发光二极管故障进行报警,以便用户及时更换编码器。三、编码器的常见输出电路3.INPN电压输出和NPN集电极开路输出线路这种线路仅有一个NPN型晶体管和一个上拉电阻组成，因此当晶体管处于静态时，输出电压是电源电压，它在
14、电路上类似于TT1.逻辑，因而可以与之兼容。在有输出时，晶体管饱和，输出转为OVDC的低电平，反之由零跳向正电压。随着电缆长度、传递的脉冲频率及负载的增加，这种线路形式所受的影响随之增加。因此要达到理想的使用效果，应该考虑这些影响。集电极开路的线路取消了上拉电阻，这种方式晶体管的集电极与编码器电源的反馈线是互不相干的，因而可以获得与编码器电压不同的电流输出信号。3.2 PNP和PNP集电极开路线路这种线路与NPN线路是相同，主要的差别是晶体管，它是PNP型，其发射极强制接到正电压，如果有电阻的话，电阻是下拉型的，连接到输出与零伏之间。3.3 推挽式线路这种线路用于提高线路的性能，使之高于前述各
15、种线路。事实上，NPN电压输出线路的主要局限性是因为它们使用了电阻，在晶体管关闭时表现出比晶体管高得多的阻抗，为克服些这缺点，在推挽式线路中额外接入了另一个晶体管，这样无论是正方向还是零方向变换，输出都是低阻抗。推挽式线路在提升频率与特性的同时，有助于实现更远距离的数据传输，即使在高速率条件下也能保持优良的表现，信号饱和电平依旧保持在较低水平，然而与前述逻辑相比，在某些情况下可能较高。任何情况下，推挽式线路都适用于NPN或PNP线路的接收器。3.4 长线驱动器线路当运行环境需要随电气干扰或编码器与接收系统之间存在很长的距离时，可采用长线驱动器线路。数据的发送和接收在两个互补的通道中进行，所以干扰受到抑制（干扰是由电缆或相邻设备引起的）。这种干扰可看成“共模干扰此外,总线驱动器的发送和接收都是以差动方式进行的，或者说互补的发送通道上是电压的差。因此对共模干扰它不是第三者，这种传送方式在采用DC5V系统时可认为与RS422兼容；在特殊芯片上，电源可达DC24V,可以在恶劣的条件（电缆长、干扰强烈等）下使用。3.5 差动线路差动线路用在具有正弦长线驱动器的模拟编码器中，这时要求信号的传送不受干扰。像长线驱动器线路那样,对于数字信号产生两个相位相差180度的信号,这种线路特意设置了120欧姆的特有线路阻抗，它与接收器的输入电阻相平衡，而接收器必须有相等的负载阻抗。通常情况下，在互补信号
