編碼器在運動控制類産品中比較常見，旋轉編碼器都是組成運動控制反饋回路的(de)關鍵元器件，包括工業自動化(huà)設備和(hé)過程控制、機器人(rén)技術、醫療設備、能源、航空航天等。

作爲将機械運動轉換爲電信号的(de)器件，編碼器可(kě)爲工程師提供位置、速度、距離和(hé)方向等基本數據，用(yòng)以優化(huà)整個(gè)系統的(de)性能。
光(guāng)學式、磁式和(hé)電容式是可(kě)供工程師使用(yòng)的(de)三種主要編碼器技術。不過，要确定哪種技術最适合最終應用(yòng)，還(hái)需要考慮一些因素。

本文将概述光(guāng)學式、磁式和(hé)電容式三種編碼器技術，并且略述各種技術的(de)利弊權衡。

多(duō)年來(lái)，光(guāng)學編碼器一直都是運動控制應用(yòng)市場(chǎng)的(de)熱(rè)門選擇。它由 LED 光(guāng)源（通(tōng)常是紅外光(guāng)源）和(hé)光(guāng)電探測器組成，二者分(fēn)别位于編碼器碼盤兩側。

碼盤由塑料或玻璃制成，上面間隔排列著(zhe)一系列透光(guāng)和(hé)不透光(guāng)的(de)線或槽。碼盤旋轉時(shí)，LED 光(guāng)路被碼盤上間隔排列的(de)線或槽阻斷，從而産生兩路典型的(de)方波 A 和(hé) B 正交脈沖，可(kě)用(yòng)于确定軸的(de)旋轉和(hé)速度。

圖 1：光(guāng)學編碼器的(de)典型 A 和(hé) B 正交脈沖，包括索引脈沖（圖片來(lái)源：CUI Devices）

盡管光(guāng)學編碼器應用(yòng)廣泛，但仍有幾點缺陷，在工業應用(yòng)等多(duō)塵且肮髒的(de)環境中，污染物(wù)會堆積在碼盤上，從而阻礙 LED 光(guāng)透射到光(guāng)學傳感器。

由于受污染的(de)碼盤可(kě)能會導緻方波不連續或完全丢失，因而極大(dà)地影(yǐng)響了(le)光(guāng)學編碼器的(de)可(kě)靠性和(hé)精度。

LED 的(de)使用(yòng)壽命有限，最終總會燒壞，從而導緻編碼器故障。此外，玻璃或塑料碼盤容易因振動或極端溫度而損壞，因而限制了(le)光(guāng)學編碼器在惡劣環境應用(yòng)中的(de)适用(yòng)範圍；将其組裝到電機上不僅耗時(shí)，而且受污染的(de)風險更大(dà)。

最後，如果光(guāng)學編碼器的(de)分(fēn)辨率較高(gāo)，則會消耗 100 mA 以上的(de)電流，進一步影(yǐng)響了(le)它應用(yòng)于移動設備或電池供電設備。

2、磁性編碼器

磁性編碼器的(de)結構與光(guāng)學編碼器類似，但它利用(yòng)的(de)是磁場(chǎng)，而非光(guāng)束。磁性編碼器使用(yòng)磁性碼盤替代帶槽光(guāng)電碼盤，磁性碼盤上帶有間隔排列的(de)磁極，并在一列霍爾效應傳感器或磁阻傳感器上旋轉。

碼盤的(de)任何轉動都會使這(zhè)些傳感器産生響應，而産生的(de)信号将傳輸至信号調理(lǐ)前端電路以确定軸的(de)位置。

相較于光(guāng)學編碼器，磁性編碼器的(de)優勢在于更耐用(yòng)、抗振和(hé)抗沖擊。而且，在遇到灰塵、污垢和(hé)油漬等污染物(wù)的(de)情況下(xià)，光(guāng)學編碼器的(de)性能會大(dà)打折扣，磁性編碼器卻不受影(yǐng)響，因此非常适合惡劣環境應用(yòng)。
不過，電機（尤其是步進電機）産生的(de)電磁幹擾會對(duì)磁性編碼器造成極大(dà)的(de)影(yǐng)響，并且溫度變化(huà)也(yě)會使其産生位置漂移。

此外，磁性編碼器的(de)分(fēn)辨率和(hé)精度相對(duì)較低，在這(zhè)方面遠(yuǎn)不及光(guāng)學和(hé)電容式編碼器。

3、電容式編碼器

電容式編碼器主要由三部分(fēn)組成：轉子、固定發射器和(hé)固定接收器。電容感應使用(yòng)條狀或線狀紋路，一極位于固定元件上，另一極位于活動元件上，以構成可(kě)變電容器，并配置成一對(duì)接收器/發射器。

轉子上蝕刻了(le)正弦波紋路，随著(zhe)電機軸的(de)轉動，這(zhè)種紋路可(kě)産生特殊但可(kě)預測的(de)信号。随後，該信号經由編碼器的(de)闆載 ASIC 轉換，以計算(suàn)軸的(de)位置和(hé)旋轉方向。

圖 2：編碼器碼盤的(de)比較（圖片來(lái)源：CUI Devices）

4、電容式編碼器的(de)優點

事實證明(míng)，CUI Devices 的(de) AMT 編碼器系列所采用(yòng)的(de)這(zhè)種基于電容的(de)技術具有高(gāo)可(kě)靠性、高(gāo)精度的(de)特性。

由于無需 LED 或視距，即使遇到會對(duì)光(guāng)學編碼器産生不利影(yǐng)響的(de)環境污染物(wù)（如灰塵、污垢和(hé)油漬），電容式編碼器也(yě)能達到預期的(de)效果。

此外，相比光(guāng)學編碼器使用(yòng)的(de)玻璃碼盤，它更不容易受到振動和(hé)極高(gāo)/極低溫度的(de)影(yǐng)響。

如前所述，因爲電容式編碼器不存在 LED 燒壞的(de)情況，所以使用(yòng)壽命往往比光(guāng)學編碼器長(cháng)。

因此，電容式編碼器的(de)封裝尺寸更小，在整個(gè)分(fēn)辨率範圍内電流消耗更小，隻有 6 至 18 mA，這(zhè)就使它更适合電池供電應用(yòng)。

鑒于電容式技術的(de)穩健性、精度和(hé)分(fēn)辨率均比磁性編碼器高(gāo)，因而後者所面臨的(de)電磁幹擾和(hé)電氣噪聲對(duì)它的(de)影(yǐng)響并不大(dà)。
此外，在靈活性和(hé)可(kě)編程性方面，電容式編碼器的(de)數字特性也(yě)能帶來(lái)關鍵優勢。因爲光(guāng)學或磁性編碼器的(de)分(fēn)辨率是由編碼器碼盤決定，所以需要其他(tā)分(fēn)辨率時(shí)，每次都要使用(yòng)新的(de)編碼器，以緻于設計和(hé)制造過程的(de)時(shí)間和(hé)成本均會有所增加。

然而，電容式編碼器具有一系列可(kě)編程的(de)分(fēn)辨率，爲設計人(rén)員(yuán)免去了(le)每次需要新的(de)分(fēn)辨率時(shí)就要更換編碼器的(de)麻煩，這(zhè)不僅減少了(le)庫存，而且簡化(huà)了(le) PID 控制回路的(de)微調和(hé)系統優化(huà)。

涉及 BLDC 電機換向時(shí)，電容式編碼器允許數字對(duì)準和(hé)索引脈沖設置，而這(zhè)項任務對(duì)于光(guāng)學編碼器而言可(kě)能既反複、又耗時(shí)。

内置的(de)診斷功能使設計人(rén)員(yuán)可(kě)以進一步訪問系統數據，用(yòng)以優化(huà)系統或現場(chǎng)排除故障。

圖 3：電容式、光(guāng)學式和(hé)磁式技術的(de)關鍵性能指标比較

（圖片來(lái)源：CUI Devices）

權衡選項

與光(guāng)學式或磁式技術相比，它可(kě)爲設計人(rén)員(yuán)提供可(kě)靠、精準且靈活的(de)解決方案。

此外，電容式編碼器還(hái)增加了(le)可(kě)編程性和(hé)診斷功能，這(zhè)種數字特性使其更适合現代物(wù)聯網 (IoT) 和(hé)工業物(wù)聯網 (IIoT) 應用(yòng)。