如何使用旋轉編碼器將機械旋轉快速轉換為數位訊號

在數位時代，針對馬達或旋轉儀器旋鈕上機械軸的旋轉，需要以快速有效的方式完成測量。電位器和旋轉開關等類比方法，逐步由可直接將旋轉運動數位化的旋轉編碼器所取代，但設計人員還是必須能夠理解各種編碼器類型間的差異，並準確解讀編碼器的數位輸出。

本文將介紹旋轉編碼器的作用及運作原理，接著介紹編碼器訊號的解讀方式，然後再介紹編碼器解決方案及其實際應用。

旋轉編碼器的作用

旋轉編碼器是一種測量機械軸旋轉的感測器。這種軸可能在馬達上，而旋轉編碼器就在此位置讀取角位置或轉速。旋轉編碼器還可以讀取儀器或電器前面板上的轉盤、旋鈕或其他電子控制裝置的角位置，進而取代電位器和旋轉開關。

讓我們以電器的計時器控制器為例。過去在類比時代，此種控制器的位置是使用可變電阻或電位器進行感測。若採用當今的微處理器架構設計，旋轉編碼器產生的數位輸入會更高效。

編碼器還可以用在控制系統中以提供回饋，說明機械零件有回應控制命令正確的移動。無論控制系統是在汽車上還是在機器人裝置上，編碼器都可為進行控制的微處理器提供必要的感測。單轉電位器等較老的解決方案，僅能感測到軸的不完整旋轉，但旋轉編碼器可以在不停止的情況下，感測到完整的旋轉。

旋轉編碼器將這些機械位移轉換成電氣訊號，然後這些訊號可發送到處理器進行解讀。根據編碼器的電氣輸出，可以得到旋轉方向、角位置和轉速。與電位器相比，旋轉編碼器的數位輸出讓這一過程變得更為簡單。

旋轉編碼器的運作原理

編碼器主要有兩種類型，即增量編碼器和絕對編碼器。增量編碼器可讀取角位移的變化，而絕對編碼器可讀取編碼軸的絕對角度。這些編碼器使用三種常見技術進行實作：光學、機械、磁性。

光學編碼器採用碟片製成，包含半透明和不透明的區段，可以讓光線通過特定區域。利用碟片相對兩側的 LED 和光電二極體 (圖 1)，光電二極體可檢測穿過碟片的光線，而且輸出的脈衝波形可對應至碟片各區段的半透明和不透明圖案。

圖 1：增量和絕對光學碟片的範例。增量碟片產生兩個方波訊號，在兩者之間有 90° 的相位差。絕對碟片輸出二進位編碼數據。(圖片來源：DigiKey)

圖 1 的絕對碟片有四個輸出，為碟片上的每個區段提供唯一的二進位碼，在本例中有 16 個區段 (表 1)。二進位碼的替代方案是葛雷碼，這是一種二進位碼，其中相鄰的二進位字只相差一個單一位元轉換。

表 1：具有四個位元之絕對編碼器的十六個二進位狀態。(表格來源：DigiKey)

增量碟片產生的圖案包含兩個方波，相位差為 90°，稱為正交輸出。這也可以使用單行圖案以及兩個光電感測器來完成，並且感測器的相移距離相當於 90°。

正交增量編碼器的輸出通常稱為 A 和 B。編碼器還可以包括第三種輸出，即每轉一次產生一個脈衝，此脈衝稱為索引脈衝，可提供已知的實體參考值。透過將索引脈衝與正交輸出相結合，即可計算出絕對軸方向。

如果讓兩個輸出具有 90° 的相移，那麼不僅可以感測角度旋轉，還可以感測旋轉方向 (圖 2)。

圖 2：正交訊號之間的相位關係，可決定編碼器碟片的移動方向。(圖片來源：DigiKey)

當編碼器軸順時針旋轉時，A 波形之後會出現 B 波形。如果旋轉方向變為逆時針方向，則訊號 B 之後會出現訊號 A。

透過這兩個正交訊號，每個週期可能解析出四種狀態。單一週期內的狀態是 A = 1 且 B = 0；A = 1 且 B = 1；A = 0 且 B = 1；以及最後的 A = 0 且 B = 0。這意味著正交輸出編碼器的角度解析度是每轉脈衝數 (PPR) 額定值的四倍。

在示波器上查看和測量光學編碼器的正交輸出，可以顯示輸出之間的相位關係 (圖 3)。A 訊號顯示在上方跡線中，而 B 訊號則顯示在下方跡線中。示波器相位參數 P1 可用來測量 A 和 B 訊號之間的相位差。兩個訊號之間的平均相位差為 90.4˚。

圖 3：每轉 512 脈衝光學編碼器的正交輸出，顯示 A 和 B 訊號輸出之間的相位關係 (圖片來源：DigiKey)

在此例中，只使用單一的 A 輸出，因為編碼器當作轉速計使用，測量馬達的轉速。使用示波器參數 P2 測量 A 訊號所得的頻率為 28.87 kHz。此數值除以每轉 512 脈衝數 (PPR) 轉換為軸速度，再乘以 60 得出以每分鐘轉數 (RPM) 表示的軸角速度，亦即參數 P3 的讀數 3383 RPM。

根據這些數字，該編碼器的 512 PPR 提供 0.7 度的基本解析度。透過解讀 A/B 狀態，解析度可達到 0.175˚。

在所有編碼器類型中，光學編碼器具有最高解析度的優點，而其成本則相當適合較便宜的低階應用。缺點是可能很笨重。

機械編碼器採用旋轉碟片，其中的同心環與光學編碼器採用的圖案相同。這些環的圖案包含導電區和絕緣區。固定電刷觸點滑過旋轉碟片，與每個環接觸，達到開關的作用。隨著觸點在碟片表面上刷動，當刷過導電區時即會發生接觸，而刷過絕緣區時則會中斷接觸。透過這種方式，即可為每個環產生數位圖案。

機械編碼器可能出現的問題是觸點跳動引起的雜訊。若要消除這種雜訊，可以使用低通濾波，也可以使用軟體查看跳動雜訊消退後的輸出狀態。

機械編碼器通常是最便宜的編碼器類型，可作為電子前面板上的使用者介面元件，來取代電位器。

磁性旋轉編碼器採用多極圓形磁鐵。交替的南北磁極是以霍爾效應或磁阻感測器進行感測，隨著磁鐵轉動而產生正交電氣輸出。與光學編碼器一樣，磁性編碼器屬於非接觸式，而且若與機械接觸編碼器相比，能以更高的速度運作以及持續更長的時間。

使用旋轉編碼器

按照旋轉編碼器的機電特性要求，其必須與機械裝置或使用者介接。在電子裝置上用作控制介面時，編碼器會使用實心軸，並且通常使用面板安裝襯套安裝在控制面板上，同時使用五金件進行固定。

設計人員可以選擇諸如棘爪等選項，在編碼器旋轉時發出機械性「喀嗒聲」，進而為使用者提供編碼器軸正在移動的觸覺回饋。設計人員還可以選擇瞬時接觸開關，透過按下編碼器軸而啟動。

編碼器若是安裝在旋轉機械 (如馬達或伺服馬達) 上，則會有中空軸或盲軸 (圖 4)。

圖 4：配置中空軸或盲軸的編碼器主要是安裝在馬達或其他機電機器上。(圖片來源：DigiKey)

中空軸編碼器安裝在馬達或類似機械裝置的軸上。這可確保編碼器與受監控裝置是以同心方式安裝，並可消除非對稱或角度不對齊的可能性。盲軸是深度有限的中空軸，可用來將編碼器安裝在馬達軸的末端。

編碼器的選擇和應用

旋轉編碼器的選擇取決於應用要求和環境，以及成本限制。

CTS Electronic Components 的 291V1022F832AB 是一種光學增量編碼器，具有 8 PPR 角解析度，採用 5 V 電源運作 (圖 5)。291 系列可支援 4 至 64 PPR 的 PPR 解析度，有軸類型和長度、棘爪及整合式開關選項可供選擇。編碼器的額定旋轉壽命最高達 300 萬個週期。

圖 5：CTS 的 291V1022F832AB 具有典型的螺紋襯套、鎖定墊圈和鎖定螺帽，可用作面板安裝式控制器。(圖片來源：CTS)

CTS 的 291 系列光學編碼器相當適合用於儀器控制應用，包括醫療和實驗室設備、通訊、工業、HVAC、運輸、安全、音訊和家庭娛樂設備。

Bourns Inc. 的 EMS22Q51-D28-LT4 是 32 至 256 PPR 的增量式磁性編碼器，可在 5 V 或 3.3 V 的電源下運作。該元件是 EMS22Q 非接觸式編碼器的系列產品，可支援 32 至 256 PPR 角解析度。與之前的編碼器一樣，該元件具有多種可用的軸和襯套配置，但額定旋轉壽命為 5000 萬個週期。這些編碼器非常適合在具有極端溫度、濕度和粒子污染的惡劣工業環境中使用。

此外，與許多編碼器一樣，該元件的連接和使用方式相當簡單 (圖 6)。

圖 6：EMS22Q51-D28-LT4 的引腳詳情圖 (左側插圖) 和方塊圖顯示，將 256 PPR 增量磁性非接觸式編碼器連接到微控制器的簡易性。(圖片來源：DigiKey)

EMS22Q 系列有六個引腳。電源和接地各用一個引腳；一個低態動作晶片選擇單元用於連接微控制器或微處理器；一個索引引腳和兩個數據引腳 (A 和 B)。產生的正交輸出如圖 7 所示。

圖 7：EMS22Q 產生正交輸出，PPR 範圍為 32 至 256。(圖片來源：Bourns Inc.)

低成本和業餘愛好者應用裝置的設計人員，可以充分利用機械編碼器，例如 TT Electronics 的 EN11-HSM1AF15 20 PPR 編碼器。該編碼器屬於 EN11 系列，可提供 15 或 20 PPR 的角解析度、多種軸長度和襯套長度、可選的開關，以及一系列棘爪配置。該編碼器使用 5 V 電源運作，價格約為光學編碼器的十分之一，旋轉壽命為 30,000 個週期。

結論

旋轉編碼器可以快速且高效率地感測前面板控制、機械臂或旋轉馬達軸的角度旋轉，並將其進行數位化，從而填補了相關需求。增量編碼器或絕對編碼器為微處理器或微控制器提供了必要的介面，可對機電系統元件進行感測和控制。