讓你腦洞大開的旋轉編碼器新設計

　　智能旋轉換向編碼器提供輸出選項、簡單調零、簡化BOM和基于PC的見解

　　新方法開啟新機遇

　　一直以來編碼器用戶都不愿意改變，因為一些聲稱可提供卓越性能和可靠性的創新電機控制技術，必須擁有出色的紀錄和往績來作為支持，才可以用于工作場地或工業裝置。雖然光學編碼器和磁編碼器歷史悠久，而且基于看似“更具體”的物理概念，但是電容式編碼器亦是基于經過全面試驗的原理，并且已經通過多年來在現場的成功實際應用中得到證明。這種不同于運動感測的數字式交替方法提供了許多益處，為利用旋轉換向編碼器的設計人員提供了全新的智能水平。

　　旋轉編碼器對于幾乎所有運動-控制應用來說都很關鍵，由于無刷直流電動機（BLDC）使用增加，使得旋轉編碼器的需求進一步擴大，而且提供了控制、精度和效率等方面的諸多益處。編碼器的任務很簡單，原則上就是：向系統控制器指示電機軸的位置，請參考圖1.控制器可以利用這信息準確高效地給電機繞組轉向以及確定速度、方向和加速，這些是運動控制回路維持電機性能要求所需要的參數。

　　圖1 旋轉編碼器提供電機軸方向、位置、速度和加速信息

　　編碼器可以基于各種技術，這些技術提供標準的A和B正交信號數字輸出，某些型號還提供索引輸出，請參考圖2a.換向編碼器（下面將進行更全面的說明）還提供U、V和W換-相的信道輸出，請參考圖2b.

　　圖2a 光學編碼器標準A和B正交信號及索引信號

　　圖2b 換向編碼器產生的U、V和W波形

　　編碼器技術

　　最著名的三種編碼器方法分別基于光學技術、磁技術或電容技術。簡單來說，光學技術采用帶槽圓盤，一側是LED，而光電晶體管在相對的一側。當圓盤轉動時，光程被阻斷，得到的脈沖指示軸的轉動和方向。雖然光學方法成本低且效率高，但是以下兩個因素使得光學編碼器的可靠性下降：污垢、灰塵和油脂等污染物會干擾光程，及LED的使用壽命有限，通常幾年之內其亮度損失過半，最終被燒壞。

　　除了利用磁場而非光束之外，磁編碼器的結構與光學編碼器類似。磁編碼器用磁盤代替帶槽光輪，磁盤在一組磁阻傳感器上轉動，在這些傳感器中產生響應，傳遞給信號-調節前端電路，用于確定軸的位置。雖然這種編碼器的耐用性較高，但是容易受到電機產生的電磁干擾影響，準確性不如光學編碼器。

　　第三種方法，即電容式編碼方法，具有光學編碼器和磁編碼器的所有優點，但是卻沒有它們的缺點。這種技術利用的原理與成熟、低成本而且精密的數字游標卡尺相同。它具有兩個柱狀或線狀型式，一個在固定元件上，另一個在運動元件上，兩者一起形成了一個配置為發送器/接收器對的可變電容器，請參考圖3.當編碼器轉動時，一體式ASIC對這些線的變化進行計數，并利用內插法尋找軸的位置和轉動方向，建立標準的正交輸出，以及其它編碼器提供的換向輸出，用于控制無刷直流（BLDC）電機。

　　這種電容式技術的優點是不會磨損，不受工業環境中常見的灰塵、污垢和油脂等污染物質的影響，使其本質上比光學編碼器更可靠。電容式編碼器還具有其數字控制特征帶來的性能優勢，包括調節編碼器分辨率的能力（脈沖/轉數），不需要更換為分辨率更高或更低的編碼器。

　　圖3 電容式編碼器對收到的與電機軸連接的轉子發送的信號調制脈沖進行計數

　　最佳選擇

　　CUI全新AMT31系列是先進電容式編碼器的典范，提供A和B正交信號、索引信號以及U、V和W換-相的信號。它在48-4096脈沖/轉（PPR）之間具有20個可選遞增分辨率，2-20之間共7個電機極-對。AMT31系列還具有鎖定轂，使安裝容易。它從5 V電源軌操作，僅需16 mA供電電流。

　　但是，電容式編碼器的益處遠遠不止卓越的性能、靈活性及短期和長期穩定性。與光學和磁編碼器不同的是，電容式編碼器的數字輸出將系統設計帶入21世紀，在編碼器的使用中提供許多獨特的系統益處，覆蓋從產品開發到安裝，甚至維護的所有階段。

　　為什么？因為光學或磁編碼器的輸出僅可完成工作，但卻“不靈活”，無法為用戶提供靈活性、見解或操作優勢。相比之下，電容式編碼器是數字式的，利用內置的 ASIC和微控制器來提供其它特點和增強性能。這種智能輸出在許多方面改變了用戶和性能場景，同時與標準編碼器輸出完全兼容。

　　重大的有利改變即將發生

　　讓我們更深入地看看作為CUI AMT31系列等電容式編碼器一部分的ASIC和微控制器可以實現的提升：

　　●CUI電容式編碼器的數字特性可以實現簡單、快速的“一次觸摸”調零，這個過程是非常簡單的：通過激勵適當的電機相位，將電機軸鎖定到所需的位置，并且指令編碼器在這個位置“調零”，總體時間僅為一至兩分鐘，并且無需特殊儀器。

　　相反地，使用光學或磁編碼器，調零采用機械方式調整電機繞組的換向信號，這是一個多步驟、復雜和經常令人沮喪的過程。它需要鎖定轉子，進行物理對位，以及后向驅動馬達，同時使用示波鏡來觀察后部EMF和編碼器波形，實現正確的零交叉對位。這通常需要重復的步驟，需要重復來實現精細調整和驗證，因而整個過程可能花費15至20分鐘。

　　●AMT系列的數字特性還極大地提升了系統設計過程，提供了靈活性、診斷，并且實現馬達和馬達-控制器性能的評測。特別地，由于單一電容式編碼器能夠支持廣泛的分辨率和對極數值范圍，使得設計人員能夠使用這種可編程分辨率功能，在控制器和算法開發期間動態調整PID控制回路的響應和性能，而無需購買和安裝全新的編碼器。

　　構建在AMT系列中的智能還允許進行板載診斷，用于更快的現場故障分析，這是業界的創舉。編碼器可以進行查詢，以指示它是否運作正常，或者是否存在由于軸的機械偏心或其它問題造成的某種故障。因此，設計人員能夠快速確定編碼器有否發生故障，查看問題的來源，從而排除編碼器本身可能存在的問題。而且，工程師能夠使用這項功能作預防措施，例如，在運行程序之前執行測試序列以確定編碼器狀況良好。這些并未在光學或機械編碼器上提供的功能，可讓設計人員將停機時間減至最少，同時預見可能出現在現場裝置的問題。

　　●最終，數字接口還可以簡化材料清單（BOM）。由于編碼器可以根據所需的特定變化（PPR、極對，以及轉換方向）使用軟件進行定制，無需列出和存儲多電機產品，或者用于多種產品，或者在安裝地點所需的不同型款。

　　智能編碼器結合GUI：功能強大的配對

　　用于CUI電容式編碼器的Windows PC-based AMT Viewpoint軟件加快了開發工作，并且能夠以簡單的操作來完成耗費時間的瑣碎工作，比如確認型號和型款。它僅僅需要一個USB電纜來接入編碼器，并且實施簡單的串行數據格式。

　　圖4 CUI的AMT視點軟件提供易于使用的開發接口

　　CUI的設置屏幕可讓用戶查看關鍵的編碼器波形和定時，隨著編碼器選項的改變而自動調節。通過GUI編程編碼器僅僅需要幾個按鍵，每個周期大約需要30秒來完成。最值得注意的是，編碼器用于A、B、索引或換向的對準或調零僅僅需要數秒，這與使用非可編程編碼器來完成這項任務形成了鮮明的對比。

　　在演示模式，用戶能夠使用GUI，以及進行編碼器相關運作，就像連接實際的編碼器一樣，這是在購買或實際使用之前熟悉編碼器和工具的便利方法。最終，GUI還支持創建可定購的部件編號，用于特定的編碼器型款，這包括輸出格式、套（孔）適配器，以及安裝基座等選項。

　　總結

　　基于電容式技術之編碼器具備眾多優勢，不僅僅提供了改進的性能和可靠性，比如CUI的AMT31器件內置ASIC/微控制器，提供了支持可編程設置和安裝特性的智能功能，實現運作智能并且簡化存貨管理。當這些特性結合基于PC的GUI，能夠提供易于使用的復雜功能，極大地簡化編碼器使用的方方面面，從樣品設計、評測和調試，直至安裝和配置，以及診斷和存貨最小化。所有這些均以針對其它編碼器的類似價格，維持與標準輸出類型和格式的兼容性，同時實現較低的功耗。AMT31具有易于安裝的適配器，用于不同的電機軸尺寸，參見圖5，它代表著利用智能接口的合理以提供其它編碼器技術所不具備的廣泛優勢的下一步舉措。

　　圖5 CUI的AMT31編碼器提供了獨特的耐用性和靈活性組合