【導(dǎo)讀】一直以來(lái)編碼器用戶都不愿意改變，因?yàn)橐恍┞暦Q(chēng)可提供卓越性能和可靠性的創(chuàng)新電機(jī)控制技術(shù)，需要出色的紀(jì)錄和往績(jī)來(lái)作為支持，才可用于工作場(chǎng)地或工業(yè)裝置。光學(xué)編碼器和磁編碼器雖然歷史悠久，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(jīng)過(guò)全面試驗(yàn)的原理，并且已經(jīng)通過(guò)多年來(lái)在現(xiàn)場(chǎng)的成功實(shí)際應(yīng)用中得到證明。這種不同于運(yùn)動(dòng)感測(cè)的數(shù)字式交替方法提供了許多益處，為利用旋轉(zhuǎn)換向編碼器的設(shè)計(jì)人員提供了全新的智能水平。
新方法開(kāi)啟新機(jī)遇
旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)于幾乎所有運(yùn)動(dòng)-控制應(yīng)用來(lái)說(shuō)都很關(guān)鍵，由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）使用增加，使得旋轉(zhuǎn)編碼器的需求進(jìn)一步擴(kuò)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(wù)很簡(jiǎn)單，原則上就是：向系統(tǒng)控制器指示電機(jī)軸的位置，請(qǐng)參考圖1.控制器可以利用這信息準(zhǔn)確高效地給電機(jī)繞組轉(zhuǎn)向以及確定速度、方向和加速，這些是運(yùn)動(dòng)控制回路維持電機(jī)性能要求所需要的參數(shù)。
圖1 旋轉(zhuǎn)編碼器提供電機(jī)軸方向、位置、速度和加速信息
編碼器可以基于各種技術(shù)，這些技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)的A和B正交信號(hào)數(shù)字輸出，某些型號(hào)還提供索引輸出，請(qǐng)參考圖2a.換向編碼器（下面將進(jìn)行更全面的說(shuō)明）還提供U、V和W換-相的信道輸出，請(qǐng)參考圖2b.
圖2a 光學(xué)編碼器標(biāo)準(zhǔn)A和B正交信號(hào)及索引信號(hào)
圖2b 換向編碼器產(chǎn)生的U、V和W波形
編碼器技術(shù)
最著名的三種編碼器方法分別基于光學(xué)技術(shù)、磁技術(shù)或電容技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光學(xué)技術(shù)采用帶槽圓盤(pán)，一側(cè)是LED，而光電晶體管在相對(duì)的一側(cè)。當(dāng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光程被阻斷，得到的脈沖指示軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和方向。雖然光學(xué)方法成本低且效率高，但是以下兩個(gè)因素使得光學(xué)編碼器的可靠性下降：污垢、灰塵和油脂等污染物會(huì)干擾光程，及LED的使用壽命有限，通常幾年之內(nèi)其亮度損失過(guò)半，最終被燒壞。
除了利用磁場(chǎng)而非光束之外，磁編碼器的結(jié)構(gòu)與光學(xué)編碼器類(lèi)似。磁編碼器用磁盤(pán)代替帶槽光輪，磁盤(pán)在一組磁阻傳感器上轉(zhuǎn)動(dòng)，在這些傳感器中產(chǎn)生響應(yīng)，傳遞給信號(hào)-調(diào)節(jié)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(jī)產(chǎn)生的電磁干擾影響，準(zhǔn)確性不如光學(xué)編碼器。
第三種方法，即電容式編碼方法，具有光學(xué)編碼器和磁編碼器的所有優(yōu)點(diǎn)，但是卻沒(méi)有它們的缺點(diǎn)。這種技術(shù)利用的原理與成熟、低成本而且精密的數(shù)字游標(biāo)卡尺相同。它具有兩個(gè)柱狀或線狀型式，一個(gè)在固定元件上，另一個(gè)在運(yùn)動(dòng)元件上，兩者一起形成了一個(gè)配置為發(fā)送器/接收器對(duì)的可變電容器，請(qǐng)參考圖3.當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一體式ASIC對(duì)這些線的變化進(jìn)行計(jì)數(shù)，并利用內(nèi)插法尋找軸的位置和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，建立標(biāo)準(zhǔn)的正交輸出，以及其它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)的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)磨損，不受工業(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的灰塵、污垢和油脂等污染物質(zhì)的影響，使其本質(zhì)上比光學(xué)編碼器更可靠。電容式編碼器還具有其數(shù)字控制特征帶來(lái)的性能優(yōu)勢(shì)，包括調(diào)節(jié)編碼器分辨率的能力（脈沖/轉(zhuǎn)數(shù)），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(duì)收到的與電機(jī)軸連接的轉(zhuǎn)子發(fā)送的信號(hào)調(diào)制脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)
最佳選擇
CUI全新AMT31系列是先進(jìn)電容式編碼器的典范，提供A和B正交信號(hào)、索引信號(hào)以及U、V和W換-相的信號(hào)。它在48-4096脈沖/轉(zhuǎn)（PPR）之間具有20個(gè)可選遞增分辨率，2-20之間共7個(gè)電機(jī)極-對(duì)。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(yuǎn)遠(yuǎn)不止卓越的性能、靈活性及短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。與光學(xué)和磁編碼器不同的是，電容式編碼器的數(shù)字輸出將系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶入21世紀(jì)，在編碼器的使用中提供許多獨(dú)特的系統(tǒng)益處，覆蓋從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到安裝，甚至維護(hù)的所有階段。
為什么？因?yàn)楣鈱W(xué)或磁編碼器的輸出僅可完成工作，但卻“不靈活”，無(wú)法為用戶提供靈活性、見(jiàn)解或操作優(yōu)勢(shì)。相比之下，電容式編碼器是數(shù)字式的，利用內(nèi)置的ASIC和微控制器來(lái)提供其它特點(diǎn)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場(chǎng)景，同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)編碼器輸出完全兼容。
重大的有利改變即將發(fā)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(shí)現(xiàn)的提升：
1.CUI電容式編碼器的數(shù)字特性可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、快速的“一次觸摸”調(diào)零，這個(gè)過(guò)程是非常簡(jiǎn)單的：通過(guò)激勵(lì)適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)相位，將電機(jī)軸鎖定到所需的位置，并且指令編碼器在這個(gè)位置“調(diào)零”，總體時(shí)間僅為一至兩分鐘，并且無(wú)需特殊儀器。
相反地，使用光學(xué)或磁編碼器，調(diào)零采用機(jī)械方式調(diào)整電機(jī)繞組的換向信號(hào)，這是一個(gè)多步驟、復(fù)雜和經(jīng)常令人沮喪的過(guò)程。它需要鎖定轉(zhuǎn)子，進(jìn)行物理對(duì)位，以及后向驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，同時(shí)使用示波鏡來(lái)觀察后部EMF和編碼器波形，實(shí)現(xiàn)正確的零交叉對(duì)位。這通常需要重復(fù)的步驟，需要重復(fù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整和驗(yàn)證，因而整個(gè)過(guò)程可能花費(fèi)15至20分鐘。
2.AMT系列的數(shù)字特性還極大地提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，提供了靈活性、診斷，并且實(shí)現(xiàn)馬達(dá)和馬達(dá)-控制器性能的評(píng)測(cè)。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(duì)極數(shù)值范圍，使得設(shè)計(jì)人員能夠使用這種可編程分辨率功能，在控制器和算法開(kāi)發(fā)期間動(dòng)態(tài)調(diào)整PID控制回路的響應(yīng)和性能，而無(wú)需購(gòu)買(mǎi)和安裝全新的編碼器。
構(gòu)建在AMT系列中的智能還允許進(jìn)行板載診斷，用于更快的現(xiàn)場(chǎng)故障分析，這是業(yè)界的創(chuàng)舉。編碼器可以進(jìn)行查詢，以指示它是否運(yùn)作正常，或者是否存在由于軸的機(jī)械偏心或其它問(wèn)題造成的某種故障。因此，設(shè)計(jì)人員能夠快速確定編碼器有否發(fā)生故障，查看問(wèn)題的來(lái)源，從而排除編碼器本身可能存在的問(wèn)題。而且，工程師能夠使用這項(xiàng)功能作預(yù)防措施，例如，在運(yùn)行程序之前執(zhí)行測(cè)試序列以確定編碼器狀況良好。這些并未在光學(xué)或機(jī)械編碼器上提供的功能，可讓設(shè)計(jì)人員將停機(jī)時(shí)間減至最少，同時(shí)預(yù)見(jiàn)可能出現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)裝置的問(wèn)題。
3.最終，數(shù)字接口還可以簡(jiǎn)化材料清單（BOM）。由于編碼器可以根據(jù)所需的特定變化（PPR、極對(duì)，以及轉(zhuǎn)換方向）使用軟件進(jìn)行定制，無(wú)需列出和存儲(chǔ)多電機(jī)產(chǎn)品，或者用于多種產(chǎn)品，或者在安裝地點(diǎn)所需的不同型款。
智能編碼器結(jié)合GUI：功能強(qiáng)大的配對(duì)
用于CUI電容式編碼器的Windows PC-based AMT Viewpoint軟件加快了開(kāi)發(fā)工作，并且能夠以簡(jiǎn)單的操作來(lái)完成耗費(fèi)時(shí)間的瑣碎工作，比如確認(rèn)型號(hào)和型款。它僅僅需要一個(gè)USB電纜來(lái)接入編碼器，并且實(shí)施簡(jiǎn)單的串行數(shù)據(jù)格式。
圖4 CUI的AMT視點(diǎn)軟件提供易于使用的開(kāi)發(fā)接口
CUI的設(shè)置屏幕可讓用戶查看關(guān)鍵的編碼器波形和定時(shí)，隨著編碼器選項(xiàng)的改變而自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過(guò)GUI編程編碼器僅僅需要幾個(gè)按鍵，每個(gè)周期大約需要30秒來(lái)完成。最值得注意的是，編碼器用于A、B、索引或換向的對(duì)準(zhǔn)或調(diào)零僅僅需要數(shù)秒，這與使用非可編程編碼器來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)形成了鮮明的對(duì)比。
在演示模式，用戶能夠使用GUI，以及進(jìn)行編碼器相關(guān)運(yùn)作，就像連接實(shí)際的編碼器一樣，這是在購(gòu)買(mǎi)或?qū)嶋H使用之前熟悉編碼器和工具的便利方法。最終，GUI還支持創(chuàng)建可定購(gòu)的部件編號(hào)，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(xiàng)。
總結(jié)
基于電容式技術(shù)之編碼器具備眾多優(yōu)勢(shì)，不僅僅提供了改進(jìn)的性能和可靠性，比如CUI的AMT31器件內(nèi)置ASIC/微控制器，提供了支持可編程設(shè)置和安裝特性的智能功能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)作智能并且簡(jiǎn)化存貨管理。當(dāng)這些特性結(jié)合基于PC的GUI，能夠提供易于使用的復(fù)雜功能，極大地簡(jiǎn)化編碼器使用的方方面面，從樣品設(shè)計(jì)、評(píng)測(cè)和調(diào)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(duì)其它編碼器的類(lèi)似價(jià)格，維持與標(biāo)準(zhǔn)輸出類(lèi)型和格式的兼容性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較低的功耗。AMT31具有易于安裝的適配器，用于不同的電機(jī)軸尺寸，參見(jiàn)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(shù)所不具備的廣泛優(yōu)勢(shì)的下一步舉措。
圖5 CUI的AMT31編碼器提供了獨(dú)特的耐用性和靈活性組合
