新方法帶來(lái)新機(jī)遇
編碼器用戶通常不愿意接受改變—即使理由充分。 有些創(chuàng)新聲稱能夠提供卓越性能和可靠性，但缺乏跟蹤記錄和實(shí)質(zhì)性的歷史記錄作為支持，因此不適合工廠車(chē)間或工業(yè)裝置的電機(jī)控制。 盡管光學(xué)和磁性編碼器由來(lái)已久，并采用了看起來(lái)“更加有形”的物理概念，但電容式編碼器也采用經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的理論，憑借多年來(lái)在該領(lǐng)域的不斷成功而成為一種成熟的技術(shù)。 這種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)替代方法基于數(shù)字技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了眾多優(yōu)勢(shì)，為利用旋轉(zhuǎn)式換向編碼器的設(shè)計(jì)人員展示了一個(gè)全新的智能化水平。
旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)幾乎所有運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用都非常重要，并且由于無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)的使用日益增長(zhǎng)，對(duì)這種編碼器的需求也在不斷增加，這將有益于控制、精度和效率。 編碼器的任務(wù)原理簡(jiǎn)單，即為系統(tǒng)控制器指示電機(jī)軸的位置（圖 1）。 使用此信息，控制器能準(zhǔn)確、有效地為電機(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(lái)保持所需的電機(jī)性能。
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編碼器圖" src="http://www.digikey.com.cn/-/media/Images/Article Library/TechZone Articles/2015/June/Intelligence Comes to the Commutation Encoder/article-2015june-intelligence-comes-to-fig1.jpg?la=en&ts=f90e1f3f-80ae-4584-8594-2e7e39af8ec9" title="CUI rotary encoders" height="262" width="350"/>
圖 1：旋轉(zhuǎn)編碼器提供電機(jī)軸轉(zhuǎn)向、位置、速度和加速度信息。
編碼器可以基于各種技術(shù)，所有這些技術(shù)都提供標(biāo)準(zhǔn) A、B 正交信號(hào)的數(shù)字輸出，以及某些模式下的下標(biāo)輸出（圖 2a）。 換向編碼器（詳見(jiàn)下文）還提供 U、V、W 換向相位通道輸出（圖 2b）。
圖 2a：標(biāo)準(zhǔn) A、B 正交信號(hào)及下標(biāo)信號(hào)，此處所示為光學(xué)編碼器。
圖 2b：換向編碼器產(chǎn)生的 U、V、W 波形。
編碼器技術(shù)
最著名的三種編碼器方法分別是采用光學(xué)、磁性或電容式技術(shù)。 簡(jiǎn)言之，光學(xué)方法采用帶槽圓盤(pán)，一側(cè)是 LED，對(duì)側(cè)是光電晶體管。 圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光路被中斷，得到的脈沖指示軸的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向。 盡管這種方法成本低并且有效，但以下兩個(gè)因素會(huì)使光學(xué)編碼器的可靠性下降：污垢、灰塵和油脂會(huì)干擾光路；LED 的使用壽命有限，通常在幾年內(nèi)亮度會(huì)下降一半，并最終燒壞。
磁性編碼器的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于光學(xué)編碼器，只是它利用的是磁場(chǎng)而非光束。 它使用磁性圓盤(pán)替代帶槽光輪，磁性圓盤(pán)在磁阻傳感器陣列上轉(zhuǎn)動(dòng)。 滾輪的任何轉(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。 雖然很耐用，但磁性編碼器不夠準(zhǔn)確，且易受電機(jī)磁場(chǎng)干擾。
第三種方法，即電容式編碼，兼具光學(xué)和磁性編碼器設(shè)計(jì)的所有優(yōu)點(diǎn)，但卻沒(méi)有它們的弱點(diǎn)。 這種技術(shù)與成熟、精確的低成本數(shù)字游標(biāo)卡尺的原理相同。 它有桿狀或線狀兩種型式，一個(gè)位于固定元件，另一個(gè)位于活動(dòng)元件上，共同構(gòu)成配置為接收器/發(fā)射器配對(duì)的可變電容器（圖 3）。 編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)，集成 ASIC 對(duì)這些線路變化計(jì)數(shù)，并利用插值法找到軸的位置和旋轉(zhuǎn)方向，以建立標(biāo)準(zhǔn)正交輸出以及其他編碼器提供的換向輸出，用于控制無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)。
這種電容式技術(shù)的魅力在于，不會(huì)產(chǎn)生磨損，不會(huì)受到工業(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的灰塵、污垢和油脂等的污染，因此本質(zhì)上比光學(xué)器件更加可靠。 電容式編碼器還具有數(shù)字控制特性所帶來(lái)的性能優(yōu)勢(shì) – 包括調(diào)節(jié)編碼器分辨率（每轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)的脈沖）的能力，無(wú)需更換更高或更低分辨率的編碼器。
圖 3：由連接到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)子發(fā)送的信號(hào)調(diào)制生成的脈沖，電容式編碼器對(duì)接收到的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。
最佳選擇
CUI 全新 AMT31 系列是最先進(jìn)的電容式編碼器典范，可提供 A、B 正交信號(hào)、下標(biāo)信號(hào)，以及 U、V 和 W 換向相位信號(hào)。 它在每轉(zhuǎn) 48 到 4096 次脈沖 (PPR) 之間提供二十種可選遞增分辨率，還具有七種 2 到 20 的電機(jī)軸對(duì)。 AMT31 系列還帶有鎖定集線器，便于安裝，可在 5 V 電源軌上工作，只需 16 mA 供電電流。
但電容式編碼器的益處遠(yuǎn)不止卓越的性能、靈活性、短期及長(zhǎng)期可靠性。 不像光學(xué)和磁性編碼器，電容式編碼器的數(shù)字輸出側(cè)采用 21 世紀(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在編碼器使用中，從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到安裝、甚至維護(hù)等所有階段提供許多獨(dú)特的系統(tǒng)益處。
為什么會(huì)這樣？ 光學(xué)或磁性編碼器的輸出只是功能性的，但卻“不靈活”，不能為用戶帶來(lái)靈活性、見(jiàn)解或操作優(yōu)勢(shì)。 相比之下，電容式編碼器基于數(shù)字化技術(shù)，利用內(nèi)置 ASIC 和微控制器提供其他特性和增強(qiáng)性能。 這種智能輸出在許多方面改變了用戶和性能情況，同時(shí)仍然與標(biāo)準(zhǔn)編碼器輸出完全兼容。
正在發(fā)生實(shí)質(zhì)性的有利改變
ASIC 和微控制器是電容式編碼器（如 CUI AMT31 系列）的一部分，讓我們?cè)敿?xì)了解一下它們所帶來(lái)的各項(xiàng)增強(qiáng)特性：
相反，使用光學(xué)或磁性編碼器，通過(guò)調(diào)零來(lái)機(jī)械校準(zhǔn)換向信號(hào)和電機(jī)繞組，這需要多個(gè)步驟，比較復(fù)雜，而且經(jīng)常令人沮喪。 它需要鎖定電機(jī)、物理校準(zhǔn)，然后反向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)使用示波器觀察反電動(dòng)勢(shì)和編碼器波形，以便實(shí)現(xiàn)正確的零交叉校準(zhǔn)。 這通常是個(gè)反復(fù)的過(guò)程，需要重復(fù)各個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)微調(diào)和驗(yàn)證，因此整個(gè)周期要花費(fèi) 15 到 20 分鐘。
AMT 系列內(nèi)置智能還可實(shí)現(xiàn)板載診斷，進(jìn)行快速現(xiàn)場(chǎng)故障分析，屬業(yè)內(nèi)首創(chuàng)。 能對(duì)編碼器進(jìn)行查詢，以指示其是否正常工作或是否存在由于軸上機(jī)械錯(cuò)位或其他問(wèn)題引起的某種故障。 因此，設(shè)計(jì)師能快速確定編碼器是否有故障，查找問(wèn)題來(lái)源，從而排除編碼器自身可能存在的問(wèn)題。 并且，工程師能利用此特性制定預(yù)防措施 - 例如，在運(yùn)行應(yīng)用程序之前執(zhí)行“編碼器狀況良好”的測(cè)試序列。 這些能力是光學(xué)或機(jī)械編碼器所不具備的，可讓設(shè)計(jì)師盡可能縮短停機(jī)時(shí)間，并預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的裝置問(wèn)題。
智能編碼器結(jié)合 GUI：珠聯(lián)璧合、功能強(qiáng)大
基于 Windows PC 的 AMT Viewpoint? 軟件適用于 CUI 電容式編碼器，它可加速開(kāi)發(fā)，還能將耗時(shí)瑣碎的任務(wù)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的操作，如確定型號(hào)和版本。 只需 USB 線即可連接編碼器并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的串行數(shù)據(jù)格式。
GUI 允許用戶根據(jù)應(yīng)用需求定制并個(gè)性化編碼器（圖 4）。
圖 4：CUI 的 AMT Viewpoint 軟件提供易用的開(kāi)發(fā)接口。
通過(guò) GUI 設(shè)置界面，用戶能看到關(guān)鍵編碼器波形和時(shí)間，并隨著編碼器選項(xiàng)的改變進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。 通過(guò) GUI 對(duì)編碼器編程只需簡(jiǎn)單地幾個(gè)按鍵，每個(gè)周期約 30 秒即可完成。 最值得注意的是，無(wú)論是 A、B、下標(biāo)或換向模式，編碼器校準(zhǔn)和調(diào)零僅需幾秒鐘，與不可編程編碼器進(jìn)行此項(xiàng)任務(wù)形成鮮明對(duì)比。
演示模式下，用戶能使用 GUI 并執(zhí)行編碼器相關(guān)的操作，就像已經(jīng)連接到實(shí)際編碼器一樣，這是在實(shí)際購(gòu)買(mǎi)或親手操作前熟悉編碼器和工具的便捷方式。 最后，GUI 還支持為特定編碼器版本創(chuàng)建可訂購(gòu)的零件號(hào)，其中包括輸出格式、套筒（孔徑）適配器和安裝底座等選項(xiàng)。
總結(jié)
基于電容式技術(shù)的編碼器具備眾多優(yōu)點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止改進(jìn)的性能和可靠性。 像 CUI 的 AMT31 這種帶內(nèi)置 ASIC/微控制器的器件提供支持可編程設(shè)置的智能功能和安裝特性，具有操作洞察力并簡(jiǎn)化庫(kù)存管理。 當(dāng)這些特性與基于 PC 的 GUI 相結(jié)合時(shí)，能夠提供易用的復(fù)雜功能，極大簡(jiǎn)化了編碼器使用的各個(gè)方面，包括原型設(shè)計(jì)導(dǎo)入、評(píng)價(jià)和安裝與配置進(jìn)行調(diào)試，乃至診斷和庫(kù)存最小化。 并且，獲得所有這些優(yōu)勢(shì)的成本與其他編碼器相當(dāng)，維持與標(biāo)準(zhǔn)輸出類(lèi)型和格式的兼容性，又能實(shí)現(xiàn)較低的功耗。 AMT31 具有適用于不同軸尺寸的易于安裝的適配器（圖 5），它代表著未來(lái)利用智能接口的必然趨勢(shì)，可提供其他編碼器技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的益處。
圖 5：CUI 的 AMT31 編碼器完美結(jié)合耐用性和靈活性。
