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旋轉編碼器能提供關于電機轉子位置的關鍵信息，因此也能提供轉子轉向、轉速和加速度等信息。 這些編碼器是工業、機器人、航空航天、能源和自動化應用中的關鍵部件。 這些裝置要求編碼器性能優良、長期可靠、經久耐用，從而能經常在多塵、多污染、多溫變和強振的惡劣環境下工作。 隨著需要精確運動控制的應用不斷增多，對編碼器的需求也在急劇增加。

一直以來，設計工程師面臨的挑戰是在兩種最常見的編碼器技術：光學和磁性之間作出取舍。 光學方法可提供最佳的精度，但可靠性會有所降低；磁性方法則可提供更高的耐用性，但準確性會有所不足。 雖然一些設計可以完全避免使用編碼器，但實際上編碼器是絕大多數控制/反饋環路中十分重要的環節（請參閱附錄 1“無傳感器設計怎么樣？”）。

編碼器技術需要作出取舍

通常，標準編碼器提供 48 到 2048 的每轉脈沖數 (ppr)，而大多數應用需要 800 到 1024 ppr。 雖然較高的 ppr 似乎能提供更高的表觀精度，但這更昂貴也更復雜，從而將加重關閉環路的系統控制器或數字處理器上的計算和處理負擔。 除了不必要之外，由于軸位置中的噪聲、振動和抖動，過高的精確度實際上還可能會產生不利的影響。

大多數軸編碼器都基于光學或磁性原理。 光學方法使用玻璃或塑料圓盤，該圓盤具有兩組窗口圍繞著圓柱體表面（圖 1）。 LED 光源和光電探測器位于圓盤的相對兩側；當圓盤轉動時，光線穿過窗口的開關提供了典型的方波 A 和 B 正交脈沖。

圖 1：當軸轉動時，光學編碼器通過檢測光線穿過窗口的方式來工作。

雖然光學方法的使用很成功，但仍有一些缺點。 關于耐用性，所有在組裝期間及使用過程中隨著時間的推移而出現污垢、油和其它污染物等因素，都可以很容易地干擾圓盤和缺口，從而干擾編碼器輸出。 緩解暴露于污染物這一狀況的傳統方法是將編碼器放在鐘形外殼內。 不幸的是，這種方法并不能完全消除對環境污染物的暴露。 此外，這種方法還在整體情況中引入了新的因素，其中包括溫度升高和較高的應用成本。

此外，光學編碼器中 LED 的使用壽命有限，其亮度會在 10,000 至 20,000 小時（大約一到兩年）內減少一半，最終將會熄滅。 如果為了降低成本而使用塑料制作圓盤，那么溫度范圍將會很有限，并且任何扭曲和變形都會影響精度。

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缺口光學滾輪，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，且非常容易受電機（尤其是步進電機）磁場干擾。

除了光學和磁性編碼器之外，霍爾效應傳感器也可用于位置編碼。 雖然霍爾效應傳感器有效、可靠，但是它們僅適用于相對低精度/分辨率的軸位置確定。

基于成熟設計的創新方法

考慮到對準確、精密和耐用旋轉位置編碼的需求，CUI 尋找過其它可用的電子技術。 他們的解決方案是采用標準線性位置編碼器的電容感應工作原理，這是 30 多年前為游標卡尺而開發的（請參閱附錄 2“從卡尺到編碼器”）。 因此而產生了一種稱為 AMT 的高度耐用、準確的旋轉編碼器平臺。

電容感應使用桿狀或線狀型式，一個位于固定元件，另一個位于活動元件上，構成配置為接收器/發射器配對的可變電容器（圖 2）。 當編碼器旋轉時，專用集成電路 (ASIC) 會對線條變化進行計數，還會進行插值以確定編碼器的精確位置和旋轉方向。

圖 2：當軸轉動時，電容式編碼器通過感應電容變化方式進行工作。

根據設計，編碼器的 ASIC 電力輸出與光學和磁性編碼器完全兼容。 這種非接觸式編碼器實現方式對于用戶來說有多個明顯的優勢：

• 不受灰塵、污垢或油的影響，因此比光學方法更為可靠

• 對冷熱較不敏感，因此更為可靠和一致

• 與玻璃圓盤相比，較不容易受振動影響

• 沒有 LED 變暗或熄滅的問題

• 編碼器僅需要 6 至 10 mA 的工作電流，遠低于光學元件的 20 至 50 毫安；這使其成為適用于移動和電池供電應用的高效元件

因為 AMT 編碼器系列不需要 LED 或視距，所以經常被用于現有編碼器皆不適用的應用之中。 在一個案例中，一家制造商的烘烤自動化設備在客戶的工廠重復且頻繁地停機，由于粉塵和其它污染物會影響關鍵生產設備上的光學編碼器，因而需要每月關機、更換和重新調零。 當光學裝置更換成電容裝置之后，這個問題便消失了。 在另一個案例中，由于與應用相關聯的高壓，海上鉆探設備的制造商要求將整個電機組件侵在油中。 他們選擇了電容式編碼器，因為這種編碼器能夠在諸如油等絕緣液體中不間斷地工作。

還有另外一個不太明顯的好處，那就是對于設計人員來說，可以微調比例積分微分 (PID) 控制環路：能夠調節編碼器的 ppr 計數以優化性能，而無需更換編碼器。 這種動態修改分辨率的能力大大簡化了系統的優化過程，通常是通過調整代碼或者通過更改編碼器的線條數（分辨率）來完成該過程。 如果使用光學編碼器，后面的這個過程需要購買和安裝不同的編碼器，從而增加了整體成本并延長了設計周期。 如果使用電容式編碼器，控制工程師可以簡單地指示編碼器的線條計數參數的變化，直到獲得所需的控制環路結果。

即使在安裝和生產中，電容式編碼器也會帶來其它好處。 從機械上講，其安裝孔也與其它編碼器類型匹配，使之成為配合與功能均兼容的元件（圖 3）。 因此，只需使用轉接套管，便可將單個編碼器安裝到不同直徑的軸上，這降低了生產和維修庫存中 SKU（庫存單位）的數量。

圖 3：AMT 編碼器的安裝孔匹配兼容的非電容式編碼器。

從電容變送器和定制 ASIC 電氣接口構建而來的編碼器的通用性從 CUI, Inc. 的 AMT11 可見一斑（圖 4）。 這款直徑為 37 mm、厚度為 10.34 mm 小外形元件使用 +5 V 電源供電。 它同時提供單端 CMOS 增量位置正交 (90?) 和差分線路驅動器輸出，這些輸出在電氣上與傳統的光學或磁性編碼器信號兼容。 此外，還提供了廣泛的可編程分辨率選擇（范圍為 48 到 4096 ppr），以及每轉一次的索引脈沖。 軸向和徑向連接方向的可用性取決于應用要求以及 -40°C 至 105°C 的工作溫度范圍，以便增加耐用性。

圖 4：CUI 的 AMT11 編碼器。

像任何電子變送器及相關電路一樣，電容式編碼器也可能存在一個問題，即對電氣噪聲和干擾 (EMI) 的敏感度。 對 ASIC 接口電路的精心設計以及對編碼器解調算法的微調減輕了這些問題。 ASIC 還提供了機會，讓將來的設計也包含嵌入式板載診斷，作為更智能編碼器和子系統的一部分，驗證編碼器機制和 ASIC 本身的性能。

隨著基于電容式感應原理的實地測試編碼器的廣泛采用，設計工程師不再需要在光學和磁性編碼器強制要求的特性之間作出艱難的選擇：短期和長期的可靠性與輸出精度。 電容式編碼器具備這兩種特性，并且在機械安裝、庫存、ppr 選擇、讀數調零和功耗方面具有更多優勢，所有這些都與標準輸出完全兼容。

附錄 1：無傳感器設計怎么樣？

除了使用 BLDC 電機之外，還有另外一個小趨勢：使用無需編碼器指示軸位置的無傳感器設計。 這些電機通過多種算法控制，其中包括場定向控制（FOC—也稱為矢量控制）。

雖然無需再使用編碼器在理論上具有一定的吸引力，但是 FOC 方法仍然有一些缺點：不像基于傳感器的設計一樣精確，可能會丟失位置并需要重新設置，在扭矩范圍中的一些點上存在控制問題，以及需要系統處理器進行大量的計算。 因此，這種設計主要用于軸位置與速度的較高精度和一致性不是特別重要的應用中，如消費類電器（洗衣機、烘干機）。 但是，對于大多數工業應用而言，編碼器的顯性“成本”與性能要求相比還是更加值得的。

附錄 2：從卡尺到旋轉編碼器

電容感應通常用于觸摸式開關，其中用戶的手指充當電容器的第二板極。 接口電路會感應到電容的任何變化，從而模擬傳統機電產品按鈕的功能；它們通常用于“開放式”或公共應用中，如電梯和人行橫道。 觸摸式開關以其防污垢、水和整體濫用性的能力而著稱，因為它們在內部沒有移動零件，且唯一暴露的零件是一個與安裝表面齊平的小金屬片。

電容感應的用途超越了基本開關（無論是作為單個元件，還是在陣列中），比如普遍用于大眾市場中的數顯卡尺。 Ingvar Andermo 是斯德哥爾摩 IM 研究院的一位電氣工程師，30 多年前曾使用電容技術開發一種票據讀取應用。 C.E. Johansson 與 Andermo 討論使用磁阻技術開發數顯卡尺，但 Andermo 認為這種方法過于復雜，并決定利用他在電容感應方面的經驗。

首款 Johansson 卡尺（也叫做 Jocal）在 1980 年芝加哥展覽中初次亮相。 Johansson 后來將這項技術授權給日本三豐，若干年后，三豐公司使用該技術推出了自己的首款數顯卡尺。 此后，數以百萬計的此類卡尺暢銷全球。

圖 5：三豐數顯卡尺。

Andermo 最后與總部設在俄勒岡州圖拉丁的 CUI Inc. 合作，使用相同的技術開發 AMT 系列電容式編碼器，這次將應用于高速旋轉測量。 存在三個元素：一個高頻發射器、一個蝕刻有正弦金屬圖案的轉子和一個接收器板。 轉子位于發射器和接收器板之間。 當轉子轉動時，其正弦金屬圖案以可預計方式調制高頻信號。 接收器板讀取這些調制信號，專有的 ASIC 以高達 4,096 步/轉的編碼器分辨率將其轉換為旋轉運動的增量。