讓你腦洞大開的旋轉編碼器新設計
[導讀] 一直以來編碼器用戶都不愿意改變因為一些聲稱可提供卓越性能和可靠性的創新電機控制技術必須擁有出色的紀錄和往績來作為支持才可以用于工作場地或工業裝置雖然光學編碼器和磁編碼器歷史悠久而且基于看似更具體的物理概念但是電容式編碼器亦是基于經過全面試驗的原理并且已經通過多年來在現場的成功實際應用中得到證明這種不同于運動感測的數字式交替方法提供了許多益處為利用旋轉換向編碼器的設計人員提供了全新的智能水平
智能旋轉換向編碼器提供輸出選項簡單調零簡化BOM和基于PC的見解
新方法開啟新機遇
一直以來編碼器用戶都不愿意改變因為一些聲稱可提供卓越性能和可靠性的創新電機控制技術必須擁有出色的紀錄和往績來作為支持才可以用于工作場地或工業裝置雖然光學編碼器和磁編碼器歷史悠久而且基于看似更具體的物理概念但是電容式編碼器亦是基于經過全面試驗的原理并且已經通過多年來在現場的成功實際應用中得到證明這種不同于運動感測的數字式交替方法提供了許多益處為利用旋轉換向編碼器的設計人員提供了全新的智能水平
旋轉編碼器對于幾乎所有運動-控制應用來說都很關鍵由于無刷直流電動機（BLDC）使用增加使得旋轉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很簡單原則上就是向系統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
編碼器技術
最著名的三種編碼器方法分別基于光學技術磁技術或電容技術簡單來說光學技術采用帶槽圓盤一側是LED而光電晶體管在相對的一側當圓盤轉動時光程被阻斷得到的脈沖指示軸的轉動和方向雖然光學方法成本低且效率高但是以下兩個因素使得光學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構與光學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動在這些傳感器中產生響應傳遞給信號-調節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生的電磁干擾影響準確性不如光學編碼器
第三種方法即電容式編碼方法具有光學編碼器和磁編碼器的所有優點但是卻沒有它們的缺點這種技術利用的原理與成熟低成本而且精密的數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送器/接收器對的可變電容器請參考圖3.當編碼器轉動時一體式ASIC對這些線的變化進行計數并利用內插法尋找軸的位置和轉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
這種電容式技術的優點是不會磨損不受工業環境中常見的灰塵污垢和油脂等污染物質的影響使其本質上比光學編碼器更可靠電容式編碼器還具有其數字控制特征帶來的性能優勢包括調節編碼器分辨率的能力（脈沖/轉數）不需要更換為分辨率更高或更低的編碼器
最佳選擇
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UV和W換-相的信號它在48-4096脈沖/轉（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定性與光學和磁編碼器不同的是電容式編碼器的數字輸出將系統設計帶入21世紀在編碼器的使用中提供許多獨特的系統益處覆蓋從產品開發到安裝甚至維護的所有階段
為什么因為光學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勢相比之下電容式編碼器是數字式的利用內置的 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
重大的有利改變即將發生
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的提升●CUI電容式編碼器的數字特性可以實現簡單快速的一次觸摸調零這個過程是非常簡單的通過激勵適當的電機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
相反地使用光學或磁編碼器調零采用機械方式調整電機繞組的換向信號這是一個多步驟復雜和經常令人沮喪的過程它需要鎖定轉子進行物理對位以及后向驅動馬達同時使用示波鏡來觀察后部EMF和編碼器波形實現正確的零交叉對位這通常需要重復的步驟需要重復來實現精細調整和驗證因而整個過程可能花費15至20分鐘
●AMT系列的數字特性還極大地提升了系統設計過程提供了靈活性診斷并且實現馬達和馬達-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值范圍使得設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的編碼器
構建在AMT系列中的智能還允許進行板載診斷用于更快的現場故障分析這是業界的創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計人員能夠快速確定編碼器有否發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防措施例如在運行程序之前執行測試序列以確定編碼器狀況良好這些并未在光學或機械編碼器上提供的功能可讓設計人員將停機時間減至最少同時預見可能出現在現場裝置的問題
●最終數字接口還可以簡化材料清單（BOM）由于編碼器可以根據所需的特定變化（PPR極對以及轉換方向）使用軟件進行定制無需列出和存儲多電機產品或者用于多種產品或者在安裝地點所需的不同型款
智能編碼器結合GUI功能強大的配對用于CUI電容式編碼器的Windows PC-based AMT Viewpoint軟件加快了開發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據格式
CUI的設置屏幕可讓用戶查看關鍵的編碼器波形和定時隨著編碼器選項的改變而自動調節通過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AB索引或換向的對準或調零僅僅需要數秒這與使用非可編程編碼器來完成這項任務形成了鮮明的對比
在演示模式用戶能夠使用GUI以及進行編碼器相關運作就像連接實際的編碼器一樣這是在購買或實際使用之前熟悉編碼器和工具的便利方法最終GUI還支持創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
總結
基于電容式技術之編碼器具備眾多優勢不僅僅提供了改進的性能和可靠性比如CUI的AMT31器件內置ASIC/微控制器提供了支持可編程設置和安裝特性的智能功能實現運作智能并且簡化存貨管理當這些特性結合基于PC的GUI能夠提供易于使用的復雜功能極大地簡化編碼器使用的方方面面從樣品設計評測和調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所不具備的廣泛優勢的下一步舉措
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