旋轉(zhuǎn)編碼器對于幾乎所有運動-控制應(yīng)用來說都很關(guān)鍵，由于無刷直流電動機（BLDC）使用增加，使得旋轉(zhuǎn)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(wù)很簡單，原則上就是：向系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)。

 

圖1 旋轉(zhuǎn)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(shù)，這些技術(shù)提供標準的A和B正交信號數(shù)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(xué)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(chǎn)生的U、V和W波形

 

 

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)。簡單來說，光學(xué)技術(shù)采用帶槽圓盤，一側(cè)是LED，而光電晶體管在相對的一側(cè)。當圓盤轉(zhuǎn)動時，光程被阻斷，得到的脈沖指示軸的轉(zhuǎn)動和方向。雖然光學(xué)方法成本低且效率高，但是以下兩個因素使得光學(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)其亮度損失過半，最終被燒壞。

 

除了利用磁場而非光束之外，磁編碼器的結(jié)構(gòu)與光學(xué)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(zhuǎn)動，在這些傳感器中產(chǎn)生響應(yīng)，傳遞給信號-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，但是容易受到電機產(chǎn)生的電磁干擾影響，準確性不如光學(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，但是卻沒有它們的缺點。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(fā)送器/接收器對的可變電容器，請參考圖3.當編碼器轉(zhuǎn)動時，一體式ASIC對這些線的變化進行計數(shù)，并利用內(nèi)插法尋找軸的位置和轉(zhuǎn)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(shù)的優(yōu)點是不會磨損，不受工業(yè)環(huán)境中常見的灰塵、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)字控制特征帶來的性能優(yōu)勢，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 電容式編碼器對收到的與電機軸連接的轉(zhuǎn)子發(fā)送的信號調(diào)制脈沖進行計數(shù)

 

 

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(zhuǎn)（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(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)計帶入21世紀，在編碼器的使用中提供許多獨特的系統(tǒng)益處，覆蓋從產(chǎn)品開發(fā)到安裝，甚至維護的所有階段。

 

為什么？因為光學(xué)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(yōu)勢。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。

 

 

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(xiàn)的提升：

 

1.CUI電容式編碼器的數(shù)字特性可以實現(xiàn)簡單、快速的“一次觸摸”調(diào)零，這個過程是非常簡單的：通過激勵適當?shù)碾姍C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(diào)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(xué)或磁編碼器，調(diào)零采用機械方式調(diào)整電機繞組的換向信號，這是一個多步驟、復(fù)雜和經(jīng)常令人沮喪的過程。它需要鎖定轉(zhuǎn)子，進行物理對位，以及后向驅(qū)動馬達，同時使用示波鏡來觀察后部EMF和編碼器波形，實現(xiàn)正確的零交叉對位。這通常需要重復(fù)的步驟，需要重復(fù)來實現(xiàn)精細調(diào)整和驗證，因而整個過程可能花費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)計過程，提供了靈活性、診斷，并且實現(xiàn)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(shù)值范圍，使得設(shè)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(fā)期間動態(tài)調(diào)整PID控制回路的響應(yīng)和性能，而無需購買和安裝全新的編碼器。

 

構(gòu)建在AMT系列中的智能還允許進行板載診斷，用于更快的現(xiàn)場故障分析，這是業(yè)界的創(chuàng)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(shè)計人員能夠快速確定編碼器有否發(fā)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(yù)防措施，例如，在運行程序之前執(zhí)行測試序列以確定編碼器狀況良好。這些并未在光學(xué)或機械編碼器上提供的功能，可讓設(shè)計人員將停機時間減至最少，同時預(yù)見可能出現(xiàn)在現(xiàn)場裝置的問題。

 

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

 

 

用于CUI電容式編碼器的Windows PC-based AMT Viewpoint軟件加快了開發(fā)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(shù)據(jù)格式。

 

圖4 CUI的AMT視點軟件提供易于使用的開發(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，隨著編碼器選項的改變而自動調(diào)節(jié)。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(diào)零僅僅需要數(shù)秒，這與使用非可編程編碼器來完成這項任務(wù)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(guān)運作，就像連接實際的編碼器一樣，這是在購買或?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。

 

 

基于電容式技術(shù)之編碼器具備眾多優(yōu)勢，不僅僅提供了改進的性能和可靠性，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，實現(xiàn)運作智能并且簡化存貨管理。當這些特性結(jié)合基于PC的GUI，能夠提供易于使用的復(fù)雜功能，極大地簡化編碼器使用的方方面面，從樣品設(shè)計、評測和調(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(xiàn)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(shù)所不具備的廣泛優(yōu)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