權衡編碼器技術的優缺點

在工業自動化設備與製程控制、機器人、醫療裝置、能源和航太等多種應用中，旋轉編碼器是動作控制回授迴路的重要元件。編碼器是將機械動作轉換為電子訊號的元件，可為工程師提供必要的資料，如位置、速度、距離和方向等。這些資料可用於最佳化整體系統的效能。

光學式、磁式和電容式是可供工程師使用的三大編碼器技術，但是要確定哪種技術最適合終端應用，還需要考量幾項因素。為協助您做出選擇，本文將簡要介紹光學式、磁式和電容式編碼器技術，以及每項技術的優缺點。

編碼器技術概覽

光學式編碼器

多年來，光學式編碼器一直是動作控制巿場的常用選擇。這些編碼器由 LED 光源 (通常是紅外線) 和光電偵測器組成，這兩個元件分別位於編碼盤的對側。編碼盤以塑膠或玻璃製成，並包含一連串交錯的透明或半透明線條或開槽。當編碼盤旋轉時，編碼盤上的交錯線條或開槽會阻斷 LED 的光線路徑，所產生的典型方波 A 和 B 正交脈衝，可用來判斷轉軸的旋轉和速度。

圖 1：光學式編碼器的典型 A 和 B 正交脈衝，其中包括索引脈衝 (圖片來源：Same Sky)

儘管光學式編碼器已得到廣泛使用，但仍有幾項缺點。在工業應用等充滿灰塵和污垢的環境中，污染物會堆積在編碼盤上，阻止 LED 光線通過並到達光學感測器。編碼盤受到污染後，將會導致方形脈衝時有時無或完全沒有，這嚴重影響光學式編碼器的穩定性和準確度。而 LED 的使用壽命也有限，最終會燒毀而造成編碼器故障。此外，玻璃或塑膠材質的編碼盤容易在振動和極端溫度下損壞，進而限制了在惡劣應用中的使用範圍，而將其組裝到馬達上可能非常耗時，這也增加了污染風險。最後，當解析度較高時，光學式編碼器會消耗高達 100 mA 的電流量，進一步影響了在行動裝置或電池供電裝置上的應用。

磁式編碼器

磁式編碼器的結構類似於光學式編碼器，只不過是使用磁場，而不是光束。磁式編碼器使用含有交錯磁極的磁化編碼盤，來代替開槽的光學轉輪，並繞著霍爾效應或磁阻感測器陣列旋轉。轉輪只要轉動，即會在這些感測器中產生響應，該響應會傳送到訊號調節前端電路，藉以判定轉軸位置。磁式編碼器的優點在於比光學式編碼器更耐用，也更耐衝擊和振動。在有灰塵、污垢和油污等污染物的環境中，光學式編碼器會受到影響，但磁式編碼器卻不會，因此非常適合惡劣的環境。

不過，磁式編碼器會極大受到電動馬達 (特別是步進馬達) 的磁性干擾影響，並會因溫度變化而發生位置偏移。此外，這些編碼器的解析度和準確度相對較低，不如光學式和電容式編碼器那麼出色。

電容式編碼器

電容式編碼器的三個主要元件是轉子、固定發射器和固定接收器。電容式感測使用數種樣式的條紋或線條，一組位於固定元件上，而另一組則位於活動元件上，形成可變式電容，並配置成發射器／接收器對。隨著轉子及其附至馬達轉軸的正弦圖樣轉動，會產生一個獨特但可預測的訊號，此訊號將由編碼器的板載 ASIC 解讀，以計算轉軸的位置和旋轉方向。

圖 2：編碼盤的比較 (圖片來源：Same Sky)

電容式編碼器的優點

電容式編碼器採用與數位游標卡尺相同的原理，所產生的解決方案可克服光學式編碼器和磁性編碼器的諸多缺點。Same Sky 的 AMT 編碼器系列就實作了這種電容式技術，經證明可提供更高的穩定性和準確度。由於不需要 LED 或直視性，即使遇到影響光學式編碼器效能的環境污染物，如灰塵、污垢和油污等，電容式編碼器依然能達到預期效能。與光學式編碼器的玻璃盤相比，這些編碼器還不易受到振動、酷熱或酷寒的影響。如前所述，由於沒有 LED 燒壞的問題，電容式編碼器的使用壽命比光學式編碼器更長。而這進一步減少了封裝尺寸，並在整個解析度範圍下將電流消耗量減少到 6 至 18 mA，使其非常適合電池供電的應用。此外，在磁式編碼器中存在的電磁干擾和電氣雜訊問題，也較少出現在電容式編碼器中；因此相較於磁式編碼器更耐用，準確度和解析度也更高。

靈活性和可編程性是電容式編碼器數位特性所帶來的額外關鍵優點。由於光學式編碼器或磁式編碼器的解析度由編碼盤確定，因此每次需要其他解析度時，都必須使用新的編碼器。這會增加設計和製造過程的時間和成本。電容式編碼器具有一系列可編程的解析度，因此設計人員無需在每次需要新的解析度時都更換編碼器，這不僅能減少庫存量，還能簡化 PID 控制迴路的微調和系統最佳化。在 BLDC 換向方面，電容式編碼器可進行數位對齊和索引脈衝設定，而這對光學編碼器來說是一項重複且耗時的任務。內建的診斷能力則能讓設計人員進一步存取系統資料，以進行系統最佳化或現場故障排除。

圖 3：電容式、光學式和磁式技術的重要效能指標比較 (圖片來源：Same Sky)

權衡各個選項

在許多動作控制應用中，溫度、振動和環境污染物是編碼器必須應對的重要因素。與光學式或磁式技術相比，電容式編碼器經證實可以克服這些挑戰，為設計人員提供穩定、準確和靈活的解決方案。此外，電容式編碼器數位特性所帶來的可編程性和診斷能力，也使其非常適合當代的物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 應用。