三种编码器技术的详细说明：各有优缺点，如何选择？

三种编码器技术的详细说明：各有优缺点，如何选择？

旋转编码器是运动控制反馈回路在工业自动化设备和过程控制、机器人工程、医疗设备、能源和航空航天等各种应用中的重要组成部分。作为将机械运动转换为电信号的设备，编码器向工程师提供位置、速度、距离、方向等重要数据，优化系统整体性能。

光电、磁性和电容是工程师可以使用的三种主要编码器技术。但是，在确定最适合最终用途的技术时，有几个需要考虑的因素。为了帮助您选择工程师，西安德伍拓公司技术员提供了光电、磁性和电容编码器技术的概述，并介绍了各自的折衷。

光电编码器

光电编码器多年来一直是运动控制应用市场上的热门选择。它由放置在编码器盘两侧的LED光源（通常为红外线光源）和光电探测器组成。光盘由塑料或玻璃制成，一系列不透明、透光的线条或狭缝隔开间隔。磁盘旋转时，指示灯的光路会被磁盘上隔开间隔的线或狭缝阻塞，从而生成两个典型的方形波A和B正交脉冲，它们可用于确定树的旋转和速度。


 图1光电编码器的典型A和B正交脉冲（包括索引脉冲）

光电编码器被广泛使用，但它有一些缺点。在工业应用程序等灰尘和污垢较多的环境中，污染物可能会堆积在编码器车轮上，导致LED光无法传递给光传感器。光电编码器的可靠性和准确性可能受到脏码盘的很大影响，方波可能不连续或完全丢失。LED寿命有限，最终会燃尽，编码器故障。此外，玻璃或塑料编码器容易受到极端振动和极端温度的损坏，限制了光电编码器在严酷环境中的应用范围。把它们组装成发动机需要很长时间，污染的风险会增加。最后，如果光电编码器的分辨率较高，则会消耗100mA或更高的分辨率，从而进一步影响移动和电池驱动设备上的应用程序。

磁性编码器

磁性编码器与光电编码器的结构相似，但使用磁场代替光束。磁性编码器将带槽光电编码器替换为在霍尔效应传感器或磁阻传感器阵列上旋转的空间极磁性编码器。编码器控制盘旋转时，这些传感器会发生反应，结果信号会传递给前端信号调整电路，以确定轴的位置。与光电编码器相比，磁性编码器具有耐久性、抗振动、抗冲击的优点。而且，光电编码器的性能在灰尘、污垢、油等污染物的存在下会受到很大损失，但磁性编码器不受影响，因此最适合在严酷环境中应用。

但是，来自电机（特别是步进电机）的电磁干扰可能会对磁性编码器产生很大影响，温度变化也可能引起位置漂移。而且，磁性编码器的分辨率和精度比较低，在这一点上不如光电式编码器和静电电容式编码器好。

电容式编码器

电容式编码器主要由转子、固定发射机和固定接收机三部分组成。

在电容传感中，一个极位于固定元件上，另一个极位于活动元件上的电线条或图案用于形成一对接收器/发射器的可变电容器。转子上刻蚀正弦波，生成马达轴旋转时特别且可预测的信号。该信号通过编码器的板载ASIC进行转换，以计算轴的位置和旋转方向。


图2编码器磁盘比较

电容编码器的工作原理与数字游标卡尺相同，因此它提供了一种解决方案来克服光电和磁性编码器的许多缺点。这种基于电容的技术被证明是非常可靠和准确的。不需要LED或视线的电容式编码器，即使有可能危害光电编码器的灰尘、污垢、油等环境污染物，也能按照预期发挥作用。另外，与光电式编码器中使用的玻璃盘相比，不易受到振动和极端高温/低温的影响。如前所述，电容式编码器没有LED的老化，因此寿命比光电编码器长。结果，电容式编码器的封装尺寸变小，在整个分辨率范围内仅消耗6～18mA的低电流，因此更适合电池驱动的应用。与磁性编码器相比，考虑到电容式技术的坚固性、精度和分辨率，磁性编码器暴露于电磁干扰和电噪声中不太受后者的影响。

此外，电容式编码器的数字特性在灵活性和可编程性方面提供了重要优点。因为光电编码器或磁性编码器的分辨率由编码器轮决定，所以如果需要其他分辨率，每次都需要使用新编码器，这会增加设计和开发过程的时间和成本。但是，电容式编码器具有各种可编程分辨率，因此设计者不必每次需要新分辨率时就更换编码器，不仅降低了库存，还简化了PID控制环路的微调和系统优化。关于BLDC马达的整流，使用静电电容式编码器的话，索引脉冲的数字对准和调整成为可能。这可能是光电编码器重复且耗时的工作。内置的诊断功能允许设计者进一步访问系统数据，优化系统，并进行现场故障排除。


图3电容技术、光电技术、磁技术主要绩效评价指标的比较

小结

在许多运动控制应用中，温度、振动和环境污染物是编码器必须克服的关键问题。我们发现电容式编码器可以克服这些挑战。与光电或磁性技术相比，它为设计者提供了可靠、准确、灵活的解决方案。此外，电容编码器还为最新的IoT和工业IoT应用程序添加了更适合的数字功能--可编程性和诊断功能。

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