從戰(zhàn)斗機(jī)器人到火星漫游者，從大型工程車輛到半導(dǎo)體制造設(shè)備，還有無數(shù)的醫(yī)療和軍事應(yīng)用，編碼器的身影無所不在。
簡(jiǎn)而言之，哪里有運(yùn)動(dòng)，哪里就肯定有編碼器。這些器件可能不像使用它們的某些產(chǎn)品那樣具有魅力，但是在當(dāng)今復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要。
旋轉(zhuǎn)編碼器是工業(yè)、機(jī)器人、航空航天、能源和自動(dòng)化應(yīng)用中運(yùn)動(dòng)控制反饋回路的關(guān)鍵部件。這些器件必須在惡劣的條件下工作，并會(huì)暴露于灰塵、污垢和油脂；變化不定的溫度；以及強(qiáng)振環(huán)境。
另外，由于無刷直流 (BLDC) 電機(jī)的使用越來越多，對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的需求也在不斷增大， 從而帶來控制、精度和效率方面的優(yōu)勢(shì)。編碼器的任務(wù)很簡(jiǎn)單，即為系統(tǒng)控制器指示電機(jī)軸的位置。使用此數(shù)據(jù)，控制器能準(zhǔn)確為電機(jī)繞組換向，并決定速度、轉(zhuǎn)向和加速度等參數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制回路需要利用這些參數(shù)來保持目標(biāo)電機(jī)性能。在旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)用中，需要長期的可靠性、耐用性和優(yōu)化的性能，所有這些都意味著在大多數(shù)需要精確運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用中，智能旋轉(zhuǎn)編碼器變得越來越重要。
目前出現(xiàn)了一些采用智能功能的新方法，帶來了新功能和新機(jī)會(huì)，改變了不起眼的編碼器的前景。
盡管旋轉(zhuǎn)編碼器必不可少，但是通常被認(rèn)為是啞設(shè)備，只是用于將脈沖信號(hào)提供給更高級(jí)別的控制器。傳統(tǒng)上，編碼器用戶不愿接受改變，但如今對(duì)于原理經(jīng)過充分測(cè)試的電容式編碼器等技術(shù)，他們卻寄予更多信任，并對(duì)編碼器在該領(lǐng)域經(jīng)過證實(shí)的多年成功充滿信心。
由于在設(shè)計(jì)中添加微控制器和自定義 ASIC，因此大大增加多功能性，從而能夠快速配置編碼器的分辨率、零位和極數(shù)。這種動(dòng)作檢測(cè)數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)了眾多優(yōu)勢(shì)，為使用旋轉(zhuǎn)式換向編碼器的設(shè)計(jì)人員帶來了全新的智能化水平。
編碼器技術(shù)：三種類型及其優(yōu)缺點(diǎn)
最著名的三種編碼器方法分別采用光學(xué)、磁性和電容式技術(shù)。
光學(xué)設(shè)置采用帶槽圓盤，一側(cè)是 LED，另一側(cè)是光電晶體管。圓盤會(huì)旋轉(zhuǎn)并中斷光路，因此產(chǎn)生的脈沖會(huì)指示軸的方向和旋轉(zhuǎn)（圖 1）。盡管成本低廉，但光學(xué)編碼器的可靠性會(huì)因污垢、灰塵和油污等污染物而降低，并且 LED 的使用壽命有限。
圖 1：這是傳統(tǒng)的光學(xué)編碼器設(shè)置。（圖片來源：CUI Devices）
磁性編碼器與光學(xué)編碼器的結(jié)構(gòu)非常相似，但前者使用的是磁場(chǎng)而不是光束。它使用磁性圓盤替代帶槽光輪，磁性圓盤在磁阻傳感器陣列上轉(zhuǎn)動(dòng)。磁輪轉(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。雖然具有高耐用性，但磁性編碼器的精度卻不高，并且容易受到來自電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的電磁干擾。
電容式編碼器兼具光學(xué)和磁性編碼器設(shè)計(jì)的所有優(yōu)點(diǎn)，而且擯棄了它們的弱點(diǎn)。這種編碼器更加穩(wěn)健，并且對(duì)環(huán)境微粒和電磁干擾很不敏感。電容式編碼器具有兩種線狀形式，一個(gè)設(shè)在固定元件上，另一個(gè)設(shè)在移動(dòng)元件上。這些共同構(gòu)成一個(gè)配置為收發(fā)器對(duì)的可變電容器（圖 2）。編碼器旋轉(zhuǎn)會(huì)觸發(fā)集成的 ASIC，以對(duì)線路變化進(jìn)行計(jì)數(shù)，并利用插值法跟蹤軸的方向同時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)正交輸出，連同其他編碼器提供的換向輸出來控制 BLDC 電機(jī)。
圖 2：這是電容式感測(cè)，帶有正交條排和輸出波形。（圖片來源：CUI Devices）
編碼器反饋的數(shù)字增強(qiáng)
電容式編碼器可提供穩(wěn)健的性能。另外，與光學(xué)和磁性編碼器不同，電容式編碼器的數(shù)字輸出使設(shè)計(jì)邁入 21 世紀(jì) — 有助于簡(jiǎn)化產(chǎn)品開發(fā)、安裝，甚至維護(hù)。
優(yōu)勢(shì)之一是該編碼器能夠調(diào)節(jié)分辨率（每轉(zhuǎn)脈沖計(jì)數(shù)），無需更換為更高或更低分辨率的編碼器圓盤。當(dāng)進(jìn)行控制回路優(yōu)化時(shí)，這將大幅提高開發(fā)過程中的靈活性。
該數(shù)字技術(shù)還支持簡(jiǎn)單的“一觸式”調(diào)零，以便實(shí)現(xiàn)快速輕松的安裝，并校準(zhǔn)換向信號(hào)與 BLDC 電機(jī)繞組。在此，用戶可通過激勵(lì)適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)相位將軸鎖定在目標(biāo)位置，并命令編碼器在該位置調(diào)零。這無需使用任何專用工具，且執(zhí)行此功能的總用時(shí)僅為幾分鐘。相反，使用光學(xué)或磁性編碼器，通過調(diào)零來機(jī)械校準(zhǔn)換向信號(hào)和電機(jī)繞組，這是一個(gè)比較復(fù)雜且令人沮喪的過程，可能需花費(fèi) 20 分鐘。
此外，CUI 的 AMT 系列內(nèi)置智能功能，且隨附 AMT Viewpoint GUI，這也可實(shí)現(xiàn)板載診斷，能夠更快地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)故障分析，并能夠執(zhí)行預(yù)防措施（如“編碼器狀況良好”測(cè)試序列），從而縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
此類診斷數(shù)據(jù)可通過在調(diào)試過程中將編碼器從可疑列表中排除，來幫助開發(fā)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)。
此外，診斷功能還可以通過在故障發(fā)生之前讓最終用戶深入了解編碼器的健康狀況來在現(xiàn)場(chǎng)提供幫助，并有助于將編碼器的行為與電機(jī)運(yùn)行情況的分析分開，以達(dá)到維護(hù)目的 — 這可以跟蹤未對(duì)準(zhǔn)或軸承磨損等問題。在關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，內(nèi)置診斷可以讓系統(tǒng)在啟動(dòng)電機(jī)之前驗(yàn)證編碼器的工作狀態(tài)，以避免可能的損壞。
所有編碼器類型適用的智能功能和物聯(lián)網(wǎng)連接
基于電容技術(shù)的 AMT 編碼器系列的優(yōu)勢(shì)不僅僅在于提高性能和可靠性。它們提供了智能功能以及大量可編程的設(shè)置和安裝功能。數(shù)字技術(shù)是利用智能接口強(qiáng)大功能的下一步行動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)編碼器技術(shù)無法提供的優(yōu)勢(shì)。
