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新方法帶來新機遇

編碼器用戶通常不愿意接受改變—即使理由充分。 有些創新聲稱能夠提供卓越性能和可靠性，但缺乏跟蹤記錄和實質性的歷史記錄作為支持，因此不適合工廠車間或工業裝置的電機控制。 盡管光學和磁性編碼器由來已久，并采用了看起來“更加有形”的物理概念，但電容式編碼器也采用經過充分驗證的理論，憑借多年來在該領域的不斷成功而成為一種成熟的技術。 這種運動檢測替代方法基于數字技術，實現了眾多優勢，為利用旋轉式換向編碼器的設計人員展示了一個全新的智能化水平。

旋轉編碼器對幾乎所有運動控制應用都非常重要，并且由于無刷直流 (BLDC) 電機的使用日益增長，對這種編碼器的需求也在不斷增加，這將有益于控制、精度和效率。 編碼器的任務原理簡單，即為系統控制器指示電機軸的位置（圖 1）。 使用此信息，控制器能準確、有效地為電機繞組換向，并決定速度、轉向和加速度等參數，運動控制回路需要利用這些參數來保持所需的電機性能。

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圖 1：旋轉編碼器提供電機軸轉向、位置、速度和加速度信息。

編碼器可以基于各種技術，所有這些技術都提供標準 A、B 正交信號的數字輸出，以及某些模式下的下標輸出（圖 2a）。 換向編碼器（詳見下文）還提供 U、V、W 換向相位通道輸出（圖 2b）。

圖 2a：標準 A、B 正交信號及下標信號，此處所示為光學編碼器。

圖 2b：換向編碼器產生的 U、V、W 波形。

編碼器技術

最著名的三種編碼器方法分別是采用光學、磁性或電容式技術。 簡言之，光學方法采用帶槽圓盤，一側是 LED，對側是光電晶體管。 圓盤旋轉時，光路被中斷，得到的脈沖指示軸的旋轉和轉向。 盡管這種方法成本低并且有效，但以下兩個因素會使光學編碼器的可靠性下降：污垢、灰塵和油脂會干擾光路；LED 的使用壽命有限，通常在幾年內亮度會下降一半，并最終燒壞。

磁性編碼器的結構類似于光學編碼器，只是它利用的是磁場而非光束。 它使用磁性圓盤替代帶槽光輪，磁性圓盤在磁阻傳感器陣列上轉動。 滾輪的任何轉動會在這些傳感器中產生響應，這些響應信號傳遞給信號調節前端電路，以確定軸的位置。 雖然很耐用，但磁性編碼器不夠準確，且易受電機磁場干擾。

第三種方法，即電容式編碼，兼具光學和磁性編碼器設計的所有優點，但卻沒有它們的弱點。 這種技術與成熟、精確的低成本數字游標卡尺的原理相同。 它有桿狀或線狀兩種型式，一個位于固定元件，另一個位于活動元件上，共同構成配置為接收器/發射器配對的可變電容器（圖 3）。 編碼器旋轉時，集成 ASIC 對這些線路變化計數，并利用插值法找到軸的位置和旋轉方向，以建立標準正交輸出以及其他編碼器提供的換向輸出，用于控制無刷直流 (BLDC) 電機。

這種電容式技術的魅力在于，不會產生磨損，不會受到工業環境中常見的灰塵、污垢和油脂等的污染，因此本質上比光學器件更加可靠。 電容式編碼器還具有數字控制特性所帶來的性能優勢 – 包括調節編碼器分辨率（每轉計數的脈沖）的能力，無需更換更高或更低分辨率的編碼器。

圖 3：由連接到電機軸的轉子發送的信號調制生成的脈沖，電容式編碼器對接收到的脈沖進行計數。

最佳選擇

CUI 全新 AMT31 系列是最先進的電容式編碼器典范，可提供 A、B 正交信號、下標信號，以及 U、V 和 W 換向相位信號。 它在每轉 48 到 4096 次脈沖 (PPR) 之間提供二十種可選遞增分辨率，還具有七種 2 到 20 的電機軸對。 AMT31 系列還帶有鎖定集線器，便于安裝，可在 5 V 電源軌上工作，只需 16 mA 供電電流。

但電容式編碼器的益處遠不止卓越的性能、靈活性、短期及長期可靠性。 不像光學和磁性編碼器，電容式編碼器的數字輸出側采用 21 世紀的系統設計，在編碼器使用中，從產品開發到安裝、甚至維護等所有階段提供許多獨特的系統益處。

為什么會這樣？ 光學或磁性編碼器的輸出只是功能性的，但卻“不靈活”，不能為用戶帶來靈活性、見解或操作優勢。 相比之下，電容式編碼器基于數字化技術，利用內置 ASIC 和微控制器提供其他特性和增強性能。 這種智能輸出在許多方面改變了用戶和性能情況，同時仍然與標準編碼器輸出完全兼容。

正在發生實質性的有利改變

ASIC 和微控制器是電容式編碼器（如 CUI AMT31 系列）的一部分，讓我們詳細了解一下它們所帶來的各項增強特性：

• CUI 電容式編碼器的數字本質使其能實現簡單、快速的“一觸式”調零。 這個過程很簡單：通過激勵正確的電機相位，將軸鎖定到所需的位置，命令編碼器在此位置“調零”；總共只需一到兩分鐘，無需特殊儀器。

相反，使用光學或磁性編碼器，通過調零來機械校準換向信號和電機繞組，這需要多個步驟，比較復雜，而且經常令人沮喪。 它需要鎖定電機、物理校準，然后反向驅動電機，同時使用示波器觀察反電動勢和編碼器波形，以便實現正確的零交叉校準。 這通常是個反復的過程，需要重復各個步驟來實現微調和驗證，因此整個周期要花費 15 到 20 分鐘。

• AMT 系列的數字特性還極大改善了系統設計工藝，提供靈活性、診斷并可對電機和電機控制器性能進行評估。 特別是，由于單個電容式編碼器能支持各種分辨率和極對值，設計師可以使用這種可編程分辨率能力，在控制器和算法開發期間動態調整 PID 控制回路的響應和性能，而無需購買和安裝全新編碼器。

AMT 系列內置智能還可實現板載診斷，進行快速現場故障分析，屬業內首創。 能對編碼器進行查詢，以指示其是否正常工作或是否存在由于軸上機械錯位或其他問題引起的某種故障。 因此，設計師能快速確定編碼器是否有故障，查找問題來源，從而排除編碼器自身可能存在的問題。 并且，工程師能利用此特性制定預防措施 - 例如，在運行應用程序之前執行“編碼器狀況良好”的測試序列。 這些能力是光學或機械編碼器所不具備的，可讓設計師盡可能縮短停機時間，并預測現場可能發生的裝置問題。 

• 最后，數字接口還可簡化物料清單 (BOM)。 由于編碼器可通過軟件定制以適應特定變化（PPR、極對和換向方向），因此無需列出并為多電機產品、多種產品或不同的安裝位置備貨不同版本。

智能編碼器結合 GUI：珠聯璧合、功能強大

基于 Windows PC 的 AMT Viewpoint? 軟件適用于 CUI 電容式編碼器，它可加速開發，還能將耗時瑣碎的任務轉換為簡單的操作，如確定型號和版本。 只需 USB 線即可連接編碼器并實現簡單的串行數據格式。

GUI 允許用戶根據應用需求定制并個性化編碼器（圖 4）。

圖 4：CUI 的 AMT Viewpoint 軟件提供易用的開發接口。

通過 GUI 設置界面，用戶能看到關鍵編碼器波形和時間，并隨著編碼器選項的改變進行自動調整。 通過 GUI 對編碼器編程只需簡單地幾個按鍵，每個周期約 30 秒即可完成。 最值得注意的是，無論是 A、B、下標或換向模式，編碼器校準和調零僅需幾秒鐘，與不可編程編碼器進行此項任務形成鮮明對比。

演示模式下，用戶能使用 GUI 并執行編碼器相關的操作，就像已經連接到實際編碼器一樣，這是在實際購買或親手操作前熟悉編碼器和工具的便捷方式。 最后，GUI 還支持為特定編碼器版本創建可訂購的零件號，其中包括輸出格式、套筒（孔徑）適配器和安裝底座等選項。

總結

基于電容式技術的編碼器具備眾多優點，遠遠不止改進的性能和可靠性。 像 CUI 的 AMT31 這種帶內置 ASIC/微控制器的器件提供支持可編程設置的智能功能和安裝特性，具有操作洞察力并簡化庫存管理。 當這些特性與基于 PC 的 GUI 相結合時，能夠提供易用的復雜功能，極大簡化了編碼器使用的各個方面，包括原型設計導入、評價和安裝與配置進行調試，乃至診斷和庫存最小化。 并且，獲得所有這些優勢的成本與其他編碼器相當，維持與標準輸出類型和格式的兼容性，又能實現較低的功耗。 AMT31 具有適用于不同軸尺寸的易于安裝的適配器（圖 5），它代表著未來利用智能接口的必然趨勢，可提供其他編碼器技術所不能實現的益處。

圖 5：CUI 的 AMT31 編碼器完美結合耐用性和靈活性。