關于旋轉(zhuǎn)編碼器的分析和應用介紹

在很多電機應用中，軸位置、方向以及速度都是關鍵信息。設計工程師可以選擇軸位編碼器，以實時提供這些關鍵信息。

在多數(shù)運動和電機控制設計中，電機軸的位置、方向和速度都是關鍵信息。對于無刷直流 (BLDC) 電機而言更是如此，此類電機具有優(yōu)異的效率和可控性，應用范圍在不斷擴大，但其需要系統(tǒng)控制器準確的“知道”應在何時激勵和去激勵電機線圈以維持正常旋轉(zhuǎn)。

軸位編碼器可用來實時確定電機參數(shù)。此類編碼器是一種機電元件，可將軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電信號，再將電信號反饋到電機控制器形成閉環(huán)回路。系統(tǒng)就是通過這種方式控制電機軸的位置、速度、速度曲線和轉(zhuǎn)矩，同時還能監(jiān)控停轉(zhuǎn)或其他故障。在確定了電機軸的位置和方向后，此元件可通過模擬電路或數(shù)字過程確定電機軸的速度，甚至是加速度。（請注意，速度是位置對時間的導數(shù)，而加速度是速度對時間的導數(shù)）。有些場合，會將編碼器安裝在遠離運動傳動裝置處，這樣便會產(chǎn)生一系列敏感性問題，如背隙、濺液、彎曲及其他需要在設計時考慮的機械類問題。

雖然檢測電機位置是一個比較簡單的概念，但在實際應用中還存在一些難題（從適度的擺動到啟動/停止操作的影響），這是因為多數(shù)電機的操作環(huán)境比較惡劣所致。而且，用戶對于精度、分辨率、牢固性及成本的要求也各不相同。

請注意，并不是所有的電機都需要編碼器。在洗衣機滾筒等對位置或速度精度要求不高的場合，可使用“無傳感器”電機控制。

編碼器技術之權衡

為滿足上述各類需求，通?？刹捎没?a target="_blank">光學式、磁式（也稱為旋轉(zhuǎn)）和電容式原理的三類編碼器技術。這三類都是非接觸式器件，因此也就消除了較簡單的接觸式有刷編碼器可能會發(fā)生的摩擦或磨損問題。

分辨率是需要注意的主要編碼器參數(shù)。標準編碼器的分辨率為48 - 2,048ppr，雖然較高的ppr值能提供更高的精度，但需要的編碼器也更貴，從而將加重閉環(huán)回路的系統(tǒng)控制器或數(shù)字處理器的計算和處理負擔。與所有高分辨率器件一樣，由于軸位中有噪聲、振動或抖動，過高的精度可能會產(chǎn)生不利的影響。編碼器輸出進入電路，進而將原始信號轉(zhuǎn)換為有用的格式和數(shù)據(jù)，之后再送入系統(tǒng)控制器。在有些場合，轉(zhuǎn)換是由系統(tǒng)控制器本身完成的。

光電編碼器采用玻璃或塑料圓盤（“碼盤”），周邊有兩組缺口。LED光源和光檢測器位于碼盤的相對面。當碼盤旋轉(zhuǎn)時，透光/不透光缺口形成脈沖，指示旋轉(zhuǎn)位置和方向。光電編碼器通常需要一個20到40 mA的低壓直流電源。

有些光電編碼器只有光學部分，而由用戶提供實際的碼盤；也有一些供應商將碼盤作為選件提供，較大的碼盤便于實現(xiàn)較高的分辨率。編碼器與碼盤在安裝布局和對齊時需要特別小心，碼盤的中心孔必須調(diào)整為適合電機軸的尺寸。

Avago Technologies的三通道光學增量編碼器模塊 HEDS-9040與HEDS-9140系列為具有可選碼盤的編碼器。每個模塊都配備了一個帶透鏡的LED光源以及采用小型塑料封裝的檢測器IC，其兼容TTL的輸出可支持高達2000 ppr的分辨率。

圖1:Avago TechnologiesHEDS-9040/9140系列三通道光電編碼器可支持高達2000 ppr的分辨率，供應商也提供了一系列不同尺寸的可選碼盤，以提高讀數(shù)分辨率。

除了兩個輸出通道，此類編碼器還擁有一個用于索引的通道，編碼器每轉(zhuǎn)一周，此通道便會輸出一個脈沖。在某些應用中，需要使用索引將電機軸位置與已知起點對齊，但也可能需要在操作過程中機械對齊編碼器與軸，具體取決于產(chǎn)品的設計。圖2所示為HEDS-9040/9140編碼器的內(nèi)部電學部分，包括LED、透鏡、光電二極管和輸出比較器以及插值碼盤。

圖2:HEDS-9040/9140光電編碼器內(nèi)含單個LED、多個光電晶體管和“調(diào)節(jié)”光電晶體管輸出信號的電路；碼盤放置在LED和光電晶體管之間。

Avago同時推出了AEDR-850x反射編碼器，其碼盤采用反射缺口，而不是透射缺口，同時由于LED光源和光電檢測器位于碼盤的同一側，進而可實現(xiàn)更薄的設計。但需要降低最大分辨率，對于多數(shù)應用而言，這種限制并不會造成任何問題。此類編碼器采用尺寸僅3.95 (L) × 3.4(W) × 0.9562 mm (H)的表面貼裝無引線封裝形式，非常適合對尺寸和空間有嚴格要求的應用。

圖3:對于更薄的光電編碼器解決方案，由帶反射缺口的碼盤取代了帶透射缺口的碼盤，比如Avago的AEDR-850x；將光源和接收器放置在同一側，使得編碼器厚度低于1mm。（來源：Avago Technologies）

光電編碼器隨被廣泛使用且相當成功，但也需要滿足應用的嚴格要求。安裝環(huán)境中通常會充斥著污垢、油污及其他污染物，這些都可能會干擾碼盤、缺口以及編碼器輸出。此外，LED亮度會在10,000到20,000小時（大約1到2年）內(nèi)減少一半，最終熄滅。有些光電編碼器采用塑料碼盤以求降低成本，但這類碼盤在高溫環(huán)境下可能會變形（這是很多工業(yè)電機安裝時常見的現(xiàn)象），因此可能需要使用成本更高且更易碎的玻璃碼盤。但無論如何，光電編碼器的小尺寸、低成本以及眾多的供應商和型號，使其成為設計人員的首選。

電磁或旋轉(zhuǎn)編碼器采用一對特殊的類變壓器繞組，其初級繞組位于軸上，次級繞組為周圍的接收繞組。此類編碼采用正弦波激勵初級繞組，以在次級側產(chǎn)生正弦輸出，所得輸出將根據(jù)初級側波形進行解調(diào)。兩個波形間的相位差表示軸相對于固定繞組的位置。Ams的AS5145 12位可編程磁旋轉(zhuǎn)編碼器就是這類非接觸式磁性編碼器，作為一款片上系統(tǒng)，它在單顆器件內(nèi)整合了集成霍爾元件、模擬前端及數(shù)字信號處理功能，同時還配備了可用的評估/演示板。

圖4: ams的AS5145 12位可編程磁旋轉(zhuǎn)編碼器為一款片上系統(tǒng) (SoC)

作為基本變壓器繞組，采用這類設計的編碼器堅固耐用、可靠，并且可以在寬溫范圍內(nèi)保持一致性，但它需要激勵和解調(diào)電路，因此需要的電源要高于光電編碼器。而且相對于光電編碼器，此類編碼器的成本和尺寸相對來說也更高、更大，安裝時也必須要考慮需要容納兩組繞組。但從另一方面來說，這類編碼器是“完整”的，不需要單獨提供碼盤或類似的配件。

第三種類型是電容編碼器，采用了標準線性位置編碼器的電容感應工作原理，這是30多年前為游標卡尺而開發(fā)的。電容編碼器采用桿狀或線狀形式，一個位于固定元件上，另一個位于活動元件上，構成配置為發(fā)射器/接收器對的可變電容。當軸旋轉(zhuǎn)時，編碼器中的ASIC電路會對線條變化進行計數(shù)，還會進行插值運算以確定編碼器位置和旋轉(zhuǎn)方向。這種技術不會受到灰塵、污垢或溫度的影響，也沒有LED變暗或熄滅問題，而且工作電流低于10 mA。

除了光電、磁性和電容編碼器之外，霍爾效應傳感器也可用于軸位編碼。雖然霍爾效應傳感器高效且可靠，但是它們通常僅適用于以相對低的精度/分辨率確定軸位置的場合，例如指示傳動軸上的齒輪道。

編碼器輸出及方向的確定

前面提到的所有編碼器均為增量式編碼器，也就意味著它們指示的是軸的相對位置，而非絕對位置。因此，“上電”時，系統(tǒng)并不知道軸的角度或位置，此時可采用另一種方法——絕對式編碼器，一種在上電后即可確定角度的復雜元件。絕對式編碼器更適用于不需要旋轉(zhuǎn)一整圈及以上的軸，例如用于確定經(jīng)緯儀傾角的儀器支座。但是，這些都不是常規(guī)電機轉(zhuǎn)動情形，即便是這些儀器，除了可以使用絕對式編碼器之外，也可以選擇低成本MEMS加速度計。

然而幸運的是，光電編碼器供應商對編碼器輸出信號格式建立了標準，降低了技術選擇難度。此類編碼器的“原始”輸出為初級或同步信號（通常稱為A信號）和偏離初級信號的正交(90?)信號（通常稱為B信號）。

順時針旋轉(zhuǎn)時，A相超前B相90?，在逆時針旋轉(zhuǎn)時，B相則超前 A相90?。因此，通過檢測兩個信號以及它們的相對相位，即可確定旋轉(zhuǎn)方向。編碼器的相關元件會產(chǎn)生“向上計數(shù)”或“向下計數(shù)”脈沖，而系統(tǒng)控制器可通過這個脈沖確定相對位置、速度，甚至是加速度（后者更需要實時處理，并且可能對信號抖動比較敏感）。

圖5: 光電編碼器生成兩個正交信號；通過觀察相對相位差，系統(tǒng)即可確定旋轉(zhuǎn)方向。上圖中未顯示索引脈沖（如果有的話）（來源：Robotoid, RobotBuilder’s Bonanza, 4th Edition - Application Notes & Bonus Projects;released under Creative Commons 3.0 SA License）

在過去可能會采用絕對式編碼的電機軸位傳感設計，開始逐漸采用具有第三索引通道的增量式編碼器，以根據(jù)需要時在上電時確定軸的位置。這是因為知道啟動時的絕對位置，對于很多應用來說并不重要，而相對位置與運動信息才是重要指標，所以使用每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個脈沖的索引通道就已足夠。

如果編碼器的基本輸出A和B以及索引信號采用統(tǒng)一的格式，將根據(jù)具體編碼器型號以不同的級別和兼容性表示這些信號。用戶可選擇TTL、CMOS、單端和差分A和B以及索引信號，以滿足連接編碼器輸出的電路的接口要求。多數(shù)供應商推出的一些編碼器都可以選擇接口，因此用戶可以首先挑選具有所需編碼性能的單元，再選擇合適的電氣接口。

無傳感器的設計

有些應用不需要編碼器來指示軸位置，這些“無傳感器”電機通過多種算法控制，其中包括場定向控制（FOC，也稱為矢量控制）。

雖然無傳感器方法在BOM內(nèi)容、成本、空間上具有一定的吸引力，但該方法仍然有一些缺點：不像基于傳感器的設計那樣精確；可能在扭矩范圍內(nèi)的某些點上存在控制問題，這種情況下需要能夠預知并采用控制器和控制算法；可能需要系統(tǒng)處理器執(zhí)行大量的計算。因此，這類傳感器主要用于對軸位置和速度的精度及一致性要求不高的應用中，例如消費類電器（洗衣機和烘干機）、無法容納編碼器的設計，或者編碼器是造成任務關鍵型應用故障的另一個因素的情形。但是，對于工業(yè)和儀器儀表安裝場合而言，無傳感器設計通常不是切實可行的解決方案，而是應當選擇并使用非?？煽康木幋a器。