三種類型Hengstler編碼器的工作原理以及優(yōu)點和缺點分析

Hengstler編碼器在運動控制產(chǎn)品中比較常見，旋轉(zhuǎn)編碼器是運動控制反饋回路的主要組件，包括工業(yè)自動化設(shè)備和過程控制、機器人工程、醫(yī)療器械、能源、航空航天等。



亨士樂編碼器作為將機械運動轉(zhuǎn)換為電信號的設(shè)備，向工程師提供位置、速度、距離、方向等重要數(shù)據(jù)，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。

光學(xué)、磁性和電容式是工程師可以使用的三種主要編碼器技術(shù)。但是，在選擇最合適類型的編碼器時，有幾個因素需要考慮。

西安德伍拓技術(shù)人員為大家概述了三種編碼器技術(shù)：光電、磁性和電容，并介紹了每種技術(shù)的優(yōu)點和缺點供大家參考。

光電編碼器的工作原理

光電編碼器是運動控制應(yīng)用市場多年來的熱門選擇。它由配置在編碼器盤兩側(cè)的LED光源（通常為紅外線光源）和光電探測器組成。

光盤由塑料或玻璃制成，配有一系列不透明的透光線或狹縫。磁盤旋轉(zhuǎn)時，指示燈的光路會被磁盤上有間隔的線或狹縫阻塞，產(chǎn)生兩個典型的正交A和B方波脈沖，它們可用于確定樹的旋轉(zhuǎn)和速度。


圖1：包括索引脈沖的光電編碼器的常規(guī)A和B正交脈沖（圖像源CUI設(shè)備）

光電編碼器的優(yōu)點和缺點

光電編碼器被廣泛使用，但它有一些缺點。在工業(yè)應(yīng)用程序等有灰塵和污垢的環(huán)境中，污染物可能會堆積在編碼器盤上，妨礙LED光向光學(xué)傳感器的透過。

光電編碼器的可靠性和準(zhǔn)確性可能會極大地受到污染的碼盤的影響，這可能會導(dǎo)致方波的不連續(xù)或完全損失。

LED壽命有限，最終會燃盡，編碼器故障。此外，玻璃或塑料編碼器容易受到振動和極端溫度的損傷，限制了在嚴(yán)酷環(huán)境中應(yīng)用程序中光電編碼器的范圍。把它們組裝成發(fā)動機需要很長時間，污染的風(fēng)險會變高。

最后，如果光電編碼器的分辨率較高，則會消耗100mA或更高的分辨率，從而進(jìn)一步限制其在移動或電池驅(qū)動設(shè)備上的使用。

磁性編碼器的工作原理

磁性編碼器的結(jié)構(gòu)與光電編碼器相似，但使用磁場代替光束。磁性編碼器將帶槽光電編碼器替換為在霍爾效應(yīng)或磁阻傳感器陣列上旋轉(zhuǎn)的間隔極磁性編碼器。

編碼器輪子旋轉(zhuǎn)時，這些傳感器會發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果信號會傳遞給前端的信號調(diào)整電路，以確定軸的位置。

磁性編碼器的優(yōu)點

與光電編碼器相比，磁性編碼器具有耐久性、振動、耐沖擊性高的優(yōu)點。而且，光電編碼器的性能在灰塵、污垢、油等污染物的存在下會受到很大損失，但磁性編碼器不會受到影響，因此最適合在嚴(yán)酷環(huán)境中應(yīng)用。

磁性編碼器的缺點

來自電機（特別是步進(jìn)電機）的電磁干擾可能會對磁編碼器產(chǎn)生很大影響，溫度變化也可能引起位置漂移。

而且，磁性編碼器的分辨率和精度比較低，在這一點上不如光學(xué)式和電容式編碼器好。

電容式編碼器的工作原理

電容式編碼器主要由轉(zhuǎn)子、固定發(fā)射機和固定接收機三部分組成。電容傳感使用線條或圖案形成可變電容器，所述線條或圖案在固定元件上有一個極，在可動元件上有另一個極，構(gòu)成接收機/發(fā)射機對。

轉(zhuǎn)子被正弦波蝕刻，生成馬達(dá)軸旋轉(zhuǎn)時特別且可預(yù)測的信號。然后，該信號通過編碼器的板載ASIC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以計算軸旋轉(zhuǎn)的位置和方向。


圖2：編碼器撥號盤的比較（圖像信用：CUI設(shè)備）

電容式編碼器的優(yōu)點

電容式編碼器的原理與數(shù)字游標(biāo)卡尺相同，因此它提供了一種解決方案來克服光學(xué)和磁性編碼器的許多缺點。

基于CUI設(shè)備的AMT編碼器系列功能的此技術(shù)被證明是非?？煽亢途_的。

不需要LED或視線，電容式編碼器即使有可能危害光電編碼器的灰塵、污垢、油等環(huán)境污染物，也能按照預(yù)期發(fā)揮作用。

并且，比光學(xué)式編碼器使用的玻璃盤更不容易受到振動和極端的高溫/低溫的影響。

如前所述，電容式編碼器不受LED燒損的困擾，因此壽命有比光學(xué)式編碼器更長的傾向。

其結(jié)果是，電容式編碼器的封裝尺寸較小，僅在6至18mA的分辨率范圍內(nèi)消耗電流較少，因此更適合電池驅(qū)動的應(yīng)用。

考慮到電容技術(shù)與磁性編碼器相比的穩(wěn)健性、精度和分辨率，磁性編碼器暴露于電磁干擾和電噪聲不會受到后者的太大影響。

此外，電容式編碼器的數(shù)字性在靈活性和可編程性方面提供了重要優(yōu)點。由于光學(xué)或磁性編碼器的分辨率由編碼器控制盤確定，因此如果需要其他分辨率，每次都會使用新的編碼器來增加設(shè)計和開發(fā)過程的時間和成本。制造。

電容式編碼器的缺點

但是，電容式編碼器有各種可編程分辨率，每次需要新的分辨率時，設(shè)計者都不需要更換編碼器，因此不僅減少了庫存，還簡化了PID控制環(huán)路的微調(diào)和系統(tǒng)的優(yōu)化。

關(guān)于BLDC馬達(dá)的整流，通過電容式編碼器，可以進(jìn)行數(shù)字對準(zhǔn)和索引脈沖的調(diào)整。這是光電編碼器反復(fù)進(jìn)行的耗時作業(yè)。

內(nèi)置診斷允許設(shè)計者額外訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)以優(yōu)化系統(tǒng)或現(xiàn)場故障排除。


圖3：電容性、光學(xué)、磁性技術(shù)的主要業(yè)績評價指標(biāo)的比較（圖像源：CUI設(shè)備）

實際應(yīng)用中如何選擇編碼器的類型？

在許多運動控制應(yīng)用中，溫度、振動和環(huán)境污染物是Hengstler編碼器必須克服的關(guān)鍵問題。我們發(fā)現(xiàn)電容式編碼器可以克服這些挑戰(zhàn)。

與光學(xué)或磁性技術(shù)相比，它為設(shè)計人員提供了可靠、準(zhǔn)確、靈活的解決方案。

此外，電容式編碼器還為可編程性和診斷功能、最新的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應(yīng)用程序添加了更好的數(shù)字功能。

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