旋转编码器能提供关于电机转子位置的关键信息，因此也能提供转子转向、转速和加速度等信息。 这些编码器是工业、机器人、航空航天、能源和自动化应用中的关键部件。 这些装置要求编码器性能优良、长期可靠、经久耐用，从而能经常在多尘、多污染、多温变和强振的恶劣环境下工作。 随着需要精确运动控制的应用不断增多，对编码器的需求也在急剧增加。

一直以来，设计工程师面临的挑战是在两种最常见的编码器技术：光学和磁性之间作出取舍。 光学方法可提供最佳的精度，但可靠性会有所降低；磁性方法则可提供更高的耐用性，但准确性会有所不足。 虽然一些设计可以完全避免使用编码器，但实际上编码器是绝大多数控制/反馈环路中十分重要的环节（请参阅附录 1“无传感器设计怎么样？”）。

编码器技术需要作出取舍

通常，标准编码器提供 48 到 2048 的每转脉冲数 (ppr)，而大多数应用需要 800 到 1024 ppr。 虽然较高的 ppr 似乎能提供更高的表观精度，但这更昂贵也更复杂，从而将加重关闭环路的系统控制器或数字处理器上的计算和处理负担。 除了不必要之外，由于轴位置中的噪声、振动和抖动，过高的精确度实际上还可能会产生不利的影响。

大多数轴编码器都基于光学或磁性原理。 光学方法使用玻璃或塑料圆盘，该圆盘具有两组窗口围绕着圆柱体表面（图 1）。 LED 光源和光电探测器位于圆盘的相对两侧；当圆盘转动时，光线穿过窗口的开关提供了典型的方波 A 和 B 正交脉冲。

图 1：当轴转动时，光学编码器通过检测光线穿过窗口的方式来工作。

虽然光学方法的使用很成功，但仍有一些缺点。 关于耐用性，所有在组装期间及使用过程中随着时间的推移而出现污垢、油和其它污染物等因素，都可以很容易地干扰圆盘和缺口，从而干扰编码器输出。 缓解暴露于污染物这一状况的传统方法是将编码器放在钟形外壳内。 不幸的是，这种方法并不能完全消除对环境污染物的暴露。 此外，这种方法还在整体情况中引入了新的因素，其中包括温度升高和较高的应用成本。

此外，光学编码器中 LED 的使用寿命有限，其亮度会在 10,000 至 20,000 小时（大约一到两年）内减少一半，最终将会熄灭。 如果为了降低成本而使用塑料制作圆盘，那么温度范围将会很有限，并且任何扭曲和变形都会影响精度。

磁性编码器的结构类似于光学编码器，只是它利用的是磁场而非光束。 它使用磁性圆盘替代带缺口光学滚轮，磁性圆盘在磁阻传感器阵列上转动。 滚轮的任何转动会在这些传感器中产生响应，这些响应信号传递给信号调节前端电路，以确定轴的位置。 虽然很耐用，但磁性编码器不够准确，且非常容易受电机（尤其是步进电机）磁场干扰。

除了光学和磁性编码器之外，霍尔效应传感器也可用于位置编码。 虽然霍尔效应传感器有效、可靠，但是它们仅适用于相对低精度/分辨率的轴位置确定。

基于成熟设计的创新方法

考虑到对准确、精密和耐用旋转位置编码的需求，CUI 寻找过其它可用的电子技术。 他们的解决方案是采用标准线性位置编码器的电容感应工作原理，这是 30 多年前为游标卡尺而开发的（请参阅附录 2“从卡尺到编码器”）。 因此而产生了一种称为 AMT 的高度耐用、准确的旋转编码器平台。

电容感应使用杆状或线状型式，一个位于固定元件，另一个位于活动元件上，构成配置为接收器/发射器配对的可变电容器（图 2）。 当编码器旋转时，专用集成电路 (ASIC) 会对线条变化进行计数，还会进行插值以确定编码器的精确位置和旋转方向。

图 2：当轴转动时，电容式编码器通过感应电容变化方式进行工作。

根据设计，编码器的 ASIC 电力输出与光学和磁性编码器完全兼容。 这种非接触式编码器实现方式对于用户来说有多个明显的优势：

• 不受灰尘、污垢或油的影响，因此比光学方法更为可靠

• 对冷热较不敏感，因此更为可靠和一致

• 与玻璃圆盘相比，较不容易受振动影响

• 没有 LED 变暗或熄灭的问题

• 编码器仅需要 6 至 10 mA 的工作电流，远低于光学元件的 20 至 50 毫安；这使其成为适用于移动和电池供电应用的高效元件

因为 AMT 编码器系列不需要 LED 或视距，所以经常被用于现有编码器皆不适用的应用之中。 在一个案例中，一家制造商的烘烤自动化设备在客户的工厂重复且频繁地停机，由于粉尘和其它污染物会影响关键生产设备上的光学编码器，因而需要每月关机、更换和重新调零。 当光学装置更换成电容装置之后，这个问题便消失了。 在另一个案例中，由于与应用相关联的高压，海上钻探设备的制造商要求将整个电机组件侵在油中。 他们选择了电容式编码器，因为这种编码器能够在诸如油等绝缘液体中不间断地工作。

还有另外一个不太明显的好处，那就是对于设计人员来说，可以微调比例积分微分 (PID) 控制环路：能够调节编码器的 ppr 计数以优化性能，而无需更换编码器。 这种动态修改分辨率的能力大大简化了系统的优化过程，通常是通过调整代码或者通过更改编码器的线条数（分辨率）来完成该过程。 如果使用光学编码器，后面的这个过程需要购买和安装不同的编码器，从而增加了整体成本并延长了设计周期。 如果使用电容式编码器，控制工程师可以简单地指示编码器的线条计数参数的变化，直到获得所需的控制环路结果。

即使在安装和生产中，电容式编码器也会带来其它好处。 从机械上讲，其安装孔也与其它编码器类型匹配，使之成为配合与功能均兼容的元件（图 3）。 因此，只需使用转接套管，便可将单个编码器安装到不同直径的轴上，这降低了生产和维修库存中 SKU（库存单位）的数量。

图 3：AMT 编码器的安装孔匹配兼容的非电容式编码器。

从电容变送器和定制 ASIC 电气接口构建而来的编码器的通用性从 CUI, Inc. 的 AMT11 可见一斑（图 4）。 这款直径为 37 mm、厚度为 10.34 mm 小外形元件使用 +5 V 电源供电。 它同时提供单端 CMOS 增量位置正交 (90?) 和差分线路驱动器输出，这些输出在电气上与传统的光学或磁性编码器信号兼容。 此外，还提供了广泛的可编程分辨率选择（范围为 48 到 4096 ppr），以及每转一次的索引脉冲。 轴向和径向连接方向的可用性取决于应用要求以及 -40°C 至 105°C 的工作温度范围，以便增加耐用性。

图 4：CUI 的 AMT11 编码器。

像任何电子变送器及相关电路一样，电容式编码器也可能存在一个问题，即对电气噪声和干扰 (EMI) 的敏感度。 对 ASIC 接口电路的精心设计以及对编码器解调算法的微调减轻了这些问题。 ASIC 还提供了机会，让将来的设计也包含嵌入式板载诊断，作为更智能编码器和子系统的一部分，验证编码器机制和 ASIC 本身的性能。

随着基于电容式感应原理的实地测试编码器的广泛采用，设计工程师不再需要在光学和磁性编码器强制要求的特性之间作出艰难的选择：短期和长期的可靠性与输出精度。 电容式编码器具备这两种特性，并且在机械安装、库存、ppr 选择、读数调零和功耗方面具有更多优势，所有这些都与标准输出完全兼容。

附录 1：无传感器设计怎么样？

除了使用 BLDC 电机之外，还有另外一个小趋势：使用无需编码器指示轴位置的无传感器设计。 这些电机通过多种算法控制，其中包括场定向控制（FOC—也称为矢量控制）。

虽然无需再使用编码器在理论上具有一定的吸引力，但是 FOC 方法仍然有一些缺点：不像基于传感器的设计一样精确，可能会丢失位置并需要重新设置，在扭矩范围中的一些点上存在控制问题，以及需要系统处理器进行大量的计算。 因此，这种设计主要用于轴位置与速度的较高精度和一致性不是特别重要的应用中，如消费类电器（洗衣机、烘干机）。 但是，对于大多数工业应用而言，编码器的显性“成本”与性能要求相比还是更加值得的。

附录 2：从卡尺到旋转编码器

电容感应通常用于触摸式开关，其中用户的手指充当电容器的第二板极。 接口电路会感应到电容的任何变化，从而模拟传统机电产品按钮的功能；它们通常用于“开放式”或公共应用中，如电梯和人行横道。 触摸式开关以其防污垢、水和整体滥用性的能力而著称，因为它们在内部没有移动零件，且唯一暴露的零件是一个与安装表面齐平的小金属片。

电容感应的用途超越了基本开关（无论是作为单个元件，还是在阵列中），比如普遍用于大众市场中的数显卡尺。 Ingvar Andermo 是斯德哥尔摩 IM 研究院的一位电气工程师，30 多年前曾使用电容技术开发一种票据读取应用。 C.E. Johansson 与 Andermo 讨论使用磁阻技术开发数显卡尺，但 Andermo 认为这种方法过于复杂，并决定利用他在电容感应方面的经验。

首款 Johansson 卡尺（也叫做 Jocal）在 1980 年芝加哥展览中初次亮相。 Johansson 后来将这项技术授权给日本三丰，若干年后，三丰公司使用该技术推出了自己的首款数显卡尺。 此后，数以百万计的此类卡尺畅销全球。

图 5：三丰数显卡尺。

Andermo 最后与总部设在俄勒冈州图拉丁的 CUI Inc. 合作，使用相同的技术开发 AMT 系列电容式编码器，这次将应用于高速旋转测量。 存在三个元素：一个高频发射器、一个蚀刻有正弦金属图案的转子和一个接收器板。 转子位于发射器和接收器板之间。 当转子转动时，其正弦金属图案以可预计方式调制高频信号。 接收器板读取这些调制信号，专有的 ASIC 以高达 4,096 步/转的编码器分辨率将其转换为旋转运动的增量。