哪類編碼器特點能提高耐用性？也許是固態電子元件？

從戰鬥機器人到火星探測車，從大型工程車到半導體製造設備，以及許多醫療和軍事應用，編碼器的身影無所不在。

簡單來說，有動作的地方，就一定有編碼器的存在。編碼器也許不像內含編碼器一些產品一樣具有亮眼外型，但在今日精密複雜的動作控制系統中，卻扮演著重要的角色。

旋轉編碼器在工業、機器人、航太、能源和自動化應用的動作控制回授迴路中，屬於關鍵元件。這種編碼器必須能在嚴苛的情況下工作，並會暴露於灰塵、髒汙、油垢、溫度變化，以及劇烈振動的環境中。

此外，由於無刷 DC (BLDC) 馬達使用率提高，對於旋轉編碼器的需求也跟著增加，能在控制性、精密度和效率方面帶來優點。編碼器的工作很簡單，就是為系統控制器指出馬達軸心的位置。控制器可使用這項資訊，準確地讓馬達繞組換向，並判定速度、方向及加速度參數，而且動作控制迴路必須維持這些參數，以達到馬達效能目標。在旋轉編碼器應用中，需要長期的可靠性、耐用性以及最佳化效能，而這代表，在絕大多數需要精準動作控制的應用中，智慧型旋轉編碼器的重要性日漸增加。

目前有新推出的做法採用智慧功能，可帶來新的功能和契機，編碼器以往默默無聞的樣貌將得以改變。

旋轉編碼器雖然是必備項目，但往往被歸類成笨拙型裝置，單純用來提供脈衝訊號給較高階的控制器而已。過去不願意接受改變的編碼器使用者，如今已經更樂於信賴電容式編碼器等技術，及其完全經過測試的運作原理，並且對編碼器多年來在現場達成的成果有信心。

在設計中增添微控制器和自訂式 ASIC ，即可大幅提升多功能性，因此能快速設定編碼器的解析度、歸零位置和極數。這種數位式的動作感測做法，能讓使用旋轉換向編碼器的設計人員享受優勢，並讓智慧能力更上一層樓。

編碼器技術：三種技術及其優劣

三種最知名的編碼器做法，分別使用光學、磁性或電容技術。

光學設定使用開槽圓盤，其中一面有 LED，另一面則有光電電晶體。圓盤會旋轉並中斷光徑，因此產生的脈衝可指出軸心的方向和旋轉 (圖 1)。雖然成本很低，但光學編碼器的可靠性會隨著污染物而降低，例如髒污、灰塵和油垢，而且 LED 的壽命有限。

圖 1：這是傳統的光學編碼器設定。(圖片來源：CUI Devices)

磁性編碼器和光學編碼器的結構非常相似，但前者使用磁場，而非光束。編碼器具備磁化圓盤，而不是開槽光學轉輪，此圓盤會繞著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整前端電路，藉此判定軸心位置。雖然磁性編碼器十分耐用，但準確度較低，而且容易受到電動馬達和驅動器產生的磁性干擾影響。

電容式編碼器兼具光學及磁性編碼器設計的所有優點，且沒有兩者的缺點。這種編碼器更加耐用，且對環境微粒和磁性干擾的敏感性也很低。電容式編碼器有兩種線條圖形，一組位於固定式元件上，另一組位於移動式元件上。兩者共同組成可變式電容，可配置成發射器／接收器對 (圖 2)。編碼器會旋轉觸發一體式 ASIC，對這些線條變化進行計數，並執行內插計算，以追蹤軸心的方向，並藉此產生標準正交輸出，再搭配其他編碼器提供的換向輸出來控制 BLDC 馬達。

圖 2：電容式感測圖搭配正交條列和輸出波形。(圖片來源：CUI Devices)

編碼器回授的數位增強項目

電容式編碼器可提供耐用效能。此外，與光學和磁性編碼器不同的是，電容式編碼器的數位輸出將引領設計邁入 21 世紀，有助於簡化產品的開發、安裝，甚至是維護作業。

這種編碼器有個優點，能調整解析度 (每轉脈衝數)，而不需要切換至解析度更高或更低的編碼盤。這可在開發期間，需要進行控制迴路最佳化時提高靈活性。

此數位技術也可達到簡單的「一鍵式」歸零，因此能輕鬆快速安裝，以及將換向訊號和 BLDC 馬達繞組調正。在此，使用者對適當的馬達相位通電，將軸心鎖定在目標位置，並命令編碼器在此位置歸零。這功能不需要使用特殊工具，而且總共只需要幾分鐘的時間，就能執行此功能。相較之下，要對光學或磁性編碼器進行歸零 (以機械方式讓換向訊號與馬達繞組調正)，則相對複雜且令人沮喪，時間可能長達 20 分鐘。

此外，CUI Devices 的 AMT 系列內建智慧能力並隨附 AMT Viewpoint GUI，更提供板載診斷功能，能更快進行現場故障分析，還能執行「編碼器良好」測試序列等預防措施，並可加速產品上市。

這些診斷資料在開發人員進行設計時有所幫助，因為在除錯期間，就可藉此將編碼器從可疑名單中排除。

此外，診斷能力在現場也有所助益，能讓最終用戶深入瞭解編碼器故障前的運作狀況，並可基於維護目的，協助將編碼器的行為從馬達運作分析中分離出來，這有助於追蹤錯位或軸承磨損等問題。在關鍵的動作控制應用中，內建的診斷功能可讓系統先確認編碼器正在運作後，再嚙合馬達，以避免可能的損壞。

所有編碼器類型的智慧功能和 IoT 連線能力

以電容式技術為基礎的 AMT 編碼器系列，其提供的優點不僅是改善效能與可靠度而已。這些編碼器提供智慧功能，以及全套的可編程設定與安裝特點。數位技術是運用智慧型介面能力的下一階段，以獲得傳統編碼器技術無法提供的益處。