三种编码器技术详解：我们应该如何选择？

旋转编码器是运动控制反馈电路的关键部件，包括工业自动化设备和工艺控制、机器人技术、医疗设备、能源、航空航天等。编码器作为将机械运动转换为电信号的装置，可以为工程师提供位置、速度、距离和方向等基本数据，优化整个系统的性能。

光电、磁性和电容是工程师使用的三种主要编码器技术。然而，需要考虑一些因素来确定哪种技术最适合最终应用。为了帮助工程师选择类型，本文将总结光学、磁性和电容三种编码器技术，并略述各种技术的优缺点。

光电编码器

光电编码器多年来一直是运动控制应用市场的热门选择。LED光源（通常是红外光源）和光电探测器分别位于编码器代码盘的两侧。代码盘由塑料或玻璃制成，间隔有一系列透明和不透明的线或槽。当代码盘旋转时，LED光路被码盘上间隔的线或槽堵塞，导致两个典型的方波A和B正交脉冲可用于确定轴的旋转和速度。

光电编码器虽然应用广泛，但仍有几个缺陷。污染物会在码盘上堆积在工业应用等灰尘肮脏的环境中，从而阻碍LED光传输到光学传感器。光电编码器的可靠性和精度受到很大影响，因为受污染的码盘可能导致方波不连续或完全丢失。LED使用寿命有限，最终会烧坏，导致编码器故障。此外，由于振动或极端温度，玻璃或塑料码盘容易损坏，限制了光电编码器在恶劣环境中的应用范围；将其组装在电机上不仅耗时，而且有更大的污染风险。最后，如果光电编码器的分辨率较高，则消耗100mA上述电流进一步影响了其在移动设备或电池供电设备中的应用。

磁性编码器

磁性编码器的结构类似于光电编码器，但它使用磁场，而不是光束。磁性编码器使用磁性代码盘代替带槽光电代码盘，磁性代码盘具有间隔磁极，并在一列霍尔效应传感器或磁阻传感器上旋转。代码盘的任何旋转都会响应这些传感器，信号将传输到信号调节前端电路以确定轴的位置。磁性编码器比光电编码器更耐用、抗震、抗冲击。此外，当遇到灰尘、污垢、油污等污染物时，光电编码器的性能将大大降低，但磁性编码器不受影响，非常适合恶劣环境。

然而，电机（特别是步进电机）产生的电磁干扰会对磁性编码器产生很大的影响，温度变化也会导致位置漂移。此外，磁性编码器的分辨率和精度相对较低，远低于光电和电容式编码器。

电容编码器

电容编码器主要由转子、固定发射器和固定接收器三部分组成。

电容感应采用条状或线性线条，一极位于固定元件上，另一极位于活动元件上，形成可变电容器，并配置成一对接收器/发射器。正弦波纹路被蚀刻在转子上。随着电机轴的旋转，这种线条会产生特殊但可预测的信号。然后，信号通过编码器的板载ASIC转换，计算轴的位置和旋转方向。

电容编码器的工作原理与数字游标卡尺相同，因此它提供的解决方案克服了光学和磁性编码器的许多缺点。事实证明，这种基于电容的技术具有高可靠性和高精度的特点。因为没有必要LED或视距，即使遇到会对光电编码器产生不利影响的环境污染物（如灰尘、污垢和油渍），电容编码器也能达到预期效果。此外，与光电编码器使用的玻璃代码盘相比，它不太可能受到振动和极高/极低温度的影响。如前所述，因为电容编码器不存在LED烧坏，使用寿命往往比光电编码器长。因此，电容编码器的包装尺寸较小，整个分辨率范围内的电流消耗较小，仅为6至18mA，这使得它更适合电池供电。鉴于电容技术的稳定性，其精度和分辨率高于磁性编码器，后者面临的电磁干扰和电气噪声对其影响不大。

此外，在灵活性和可编程性方面，电容编码器的数字特性也可以带来关键优势。由于光电或磁性编码器的分辨率是由编码器代码盘决定的，因此在需要其他分辨率时，每次都需要使用新的编码器，从而增加设计和制造过程的时间和成本。然而，电容编码器具有一系列的可编程分辨率，避免了设计师每次需要新的分辨率时更换编码器的麻烦，这不仅减少了库存，而且简化了PID微调和系统优化控制电路。BLDC当电机转向时，电容式编码器允许数字对准和索引脉冲设置，这可能是重复和耗时的光电编码器。内置的诊断功能允许设计师进一步访问系统数据，以优化系统或消除现场故障。

结语

在许多运动控制应用中，温度、振动和环境污染物是编码器必须处理的重要挑战因素。电容编码器可以克服这些挑战。与光学或磁性技术相比，它可以为设计师提供可靠、准确、灵活的解决方案。此外，电容编码器还增加了可编程和诊断功能，使其更适合现代物联网和工业物联网。