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哪种编码器功能可增强稳健性？也许是固态电子器件？
2020-03-03
从战斗机器人到火星漫游者，从大型工程车辆到半导体制造设备，还有无数的医疗和军事应用，编码器的身影无所不在。
简而言之，哪里有运动，哪里就肯定有编码器。这些器件可能不像使用它们的某些产品那样具有魅力，但是在当今复杂的运动控制系统中至关重要。
旋转编码器是工业、机器人、航空航天、能源和自动化应用中运动控制反馈回路的关键部件。这些器件必须在恶劣的条件下工作，并会暴露于灰尘、污垢和油脂；变化不定的温度；以及强振环境。
另外，由于无刷直流 (BLDC) 电机的使用越来越多，对旋转编码器的需求也在不断增大， 从而带来控制、精度和效率方面的优势。编码器的任务很简单，即为系统控制器指示电机轴的位置。使用此数据，控制器能准确为电机绕组换向，并决定速度、转向和加速度等参数，运动控制回路需要利用这些参数来保持目标电机性能。在旋转编码器应用中，需要长期的可靠性、耐用性和优化的性能，所有这些都意味着在大多数需要精确运动控制的应用中，智能旋转编码器变得越来越重要。
目前出现了一些采用智能功能的新方法，带来了新功能和新机会，改变了不起眼的编码器的前景。
尽管旋转编码器必不可少，但是通常被认为是哑设备，只是用于将脉冲信号提供给更高级别的控制器。传统上，编码器用户不愿接受改变，但如今对于原理经过充分测试的电容式编码器等技术，他们却寄予更多信任，并对编码器在该领域经过证实的多年成功充满信心。
由于在设计中添加微控制器和自定义 ASIC，因此大大增加多功能性，从而能够快速配置编码器的分辨率、零位和极数。这种动作检测数字方法实现了众多优势，为使用旋转式换向编码器的设计人员带来了全新的智能化水平。
编码器技术：三种类型及其优缺点
最著名的三种编码器方法分别采用光学、磁性和电容式技术。
光学设置采用带槽圆盘，一侧是 LED，另一侧是光电晶体管。圆盘会旋转并中断光路，因此产生的脉冲会指示轴的方向和旋转（图 1）。尽管成本低廉，但光学编码器的可靠性会因污垢、灰尘和油污等污染物而降低，并且 LED 的使用寿命有限。
图 1：这是传统的光学编码器设置。（图片来源：CUI Devices）
磁性编码器与光学编码器的结构非常相似，但前者使用的是磁场而不是光束。它使用磁性圆盘替代带槽光轮，磁性圆盘在磁阻传感器阵列上转动。磁轮转动会在这些传感器中产生响应，这些响应信号传递给信号调节前端电路，以确定轴的位置。虽然具有高耐用性，但磁性编码器的精度却不高，并且容易受到来自电机和驱动器的电磁干扰。
电容式编码器兼具光学和磁性编码器设计的所有优点，而且摈弃了它们的弱点。这种编码器更加稳健，并且对环境微粒和电磁干扰很不敏感。电容式编码器具有两种线状形式，一个设在固定元件上，另一个设在移动元件上。这些共同构成一个配置为收发器对的可变电容器（图 2）。编码器旋转会触发集成的 ASIC，以对线路变化进行计数，并利用插值法跟踪轴的方向同时提供标准正交输出，连同其他编码器提供的换向输出来控制 BLDC 电机。
图 2：这是电容式感测，带有正交条排和输出波形。（图片来源：CUI Devices）
编码器反馈的数字增强
电容式编码器可提供稳健的性能。另外，与光学和磁性编码器不同，电容式编码器的数字输出使设计迈入 21 世纪 — 有助于简化产品开发、安装，甚至维护。
优势之一是该编码器能够调节分辨率（每转脉冲计数），无需更换为更高或更低分辨率的编码器圆盘。当进行控制回路优化时，这将大幅提高开发过程中的灵活性。
该数字技术还支持简单的“一触式”调零，以便实现快速轻松的安装，并校准换向信号与 BLDC 电机绕组。在此，用户可通过激励适当的电机相位将轴锁定在目标位置，并命令编码器在该位置调零。这无需使用任何专用工具，且执行此功能的总用时仅为几分钟。相反，使用光学或磁性编码器，通过调零来机械校准换向信号和电机绕组，这是一个比较复杂且令人沮丧的过程，可能需花费 20 分钟。
此外，CUI 的 AMT 系列内置智能功能，且随附 AMT Viewpoint GUI，这也可实现板载诊断，能够更快地进行现场故障分析，并能够执行预防措施（如“编码器状况良好”测试序列），从而缩短产品上市时间。
此类诊断数据可通过在调试过程中将编码器从可疑列表中排除，来帮助开发人员进行设计。
此外，诊断功能还可以通过在故障发生之前让最终用户深入了解编码器的健康状况来在现场提供帮助，并有助于将编码器的行为与电机运行情况的分析分开，以达到维护目的 — 这可以跟踪未对准或轴承磨损等问题。在关键的运动控制应用中，内置诊断可以让系统在启动电机之前验证编码器的工作状态，以避免可能的损坏。
所有编码器类型适用的智能功能和物联网连接
基于电容技术的 AMT 编码器系列的优势不仅仅在于提高性能和可靠性。它们提供了智能功能以及大量可编程的设置和安装功能。数字技术是利用智能接口强大功能的下一步行动，以实现传统编码器技术无法提供的优势。
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