TI 技術(shù)手冊

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為電信號，從而更精確地控制自動化系統(tǒng)。與測量角度的絕對編碼器不同，增量編碼器會在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生交替的高電平和低電平脈沖，可表示旋轉(zhuǎn)對象的速度和方向。

應(yīng)用包括計算機(jī)鼠標(biāo)滾輪、流量計、旋鈕、輪速傳感器、用于檢測失步的步進(jìn)電機(jī)反饋，以及用于汽車車窗、天窗、座椅和后視鏡的有刷直流電機(jī)傳感器。

輸出信號

當(dāng)只需測量一個旋轉(zhuǎn)方向時，使用具有單路切換輸出的編碼器，其輸出與單路輸出類似。

如果必須區(qū)分順時針和逆時針的運動，請使用兩個具有相位偏移的編碼器輸出。然后，2 位狀態(tài)的順序描述了所轉(zhuǎn)動的方向。從 2 位正交輸出可以看出，隨著每個完整的極對通過編碼器，有 4 個獨特的輸出條件。

使用 90° 相位偏移（“正交”）可更大限度地提高每個狀態(tài)之間的時序裕度，從而防止出現(xiàn)機(jī)械容差、傳感器不匹配和信號抖動等誤差。

技術(shù)

有多種技術(shù)可用于實現(xiàn)增量編碼：

1. 接觸：這依賴于機(jī)械接觸來建立或斷開電氣連接。通常，金屬刷在中心軸附近相鄰固定元件上的周期性接觸點上被抽出。雖然這是一種無源解決方案，但在機(jī)械上往往很復(fù)雜，需要去抖時間、容易磨損并且無法一直在臟污環(huán)境中運行。
2. 光學(xué)：構(gòu)建光學(xué)編碼器時，可使用帶切口的光盤以交替模式傳遞光，并在另一側(cè)使用一個 LED 和兩個光電二極管。正確對齊后，這種布置會產(chǎn)生正交序列。光學(xué)編碼器可以提供非常高的分辨率，但往往體積較大，需要系統(tǒng)保持清潔，并且受 LED 壽命的限制（在高溫下 LED 壽命會縮短）。
3. 電感：由于一個感應(yīng)線圈會因互感產(chǎn)生電流，電感式傳感器能夠檢測附近的導(dǎo)電目標(biāo)。將諸如旋轉(zhuǎn)齒輪之類的金屬目標(biāo)放置在一組感應(yīng)線圈附近會產(chǎn)生正交輸出，從而不受雜散直流磁場以及污垢的影響。此外，該感應(yīng)選項是非接觸式的，通?？梢栽跈C(jī)械設(shè)計中使用現(xiàn)有的金屬物體。有關(guān)詳述此解決方案的更多資源，請參閱相關(guān)技術(shù)資源。
4. 磁：磁性增量編碼器使用一個具有多個北極和南極的圓形磁體。標(biāo)準(zhǔn)霍爾效應(yīng)鎖存器僅對 B 場矢量的一個分量敏感。因此，這些器件需要間隔放置，從而使 B 場矢量的感應(yīng)分量產(chǎn)生 90° 相位差。這是通過以下方式實現(xiàn)的：將兩個霍爾效應(yīng)鎖存器以 n +1/2 個極的間隔放置，在磁體轉(zhuǎn)動時生成正交輸出，如磁性增量編碼器中所示。

由于以下原因，磁性編碼器價格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊且極其可靠：

• 沒有接觸，傳感器是固態(tài)電子器件
• 磁場可以穿透大多數(shù)污染物（水、油、污垢），PCB 可以與環(huán)境隔離
• 輸入感應(yīng)和輸出信號是有效的數(shù)字信號，可提供高抗噪性

此外，使用 TMAG5110 或 TMAG5111 等 2D 霍爾效應(yīng)鎖存器可進(jìn)一步簡化設(shè)計。通過集成對磁場矢量的正交分量敏感的第二個感應(yīng)元件，可以使用單個器件來測量旋轉(zhuǎn)磁體的正交。這是可以實現(xiàn)的，因為磁體本身可以產(chǎn)生相差 90 度的磁場分量。為了證明這一點，8 極環(huán)形磁體的磁場矢量線的剖面圖如平面磁體場矢量所示。

每轉(zhuǎn)增量

為編碼器選擇的磁體極數(shù)不同，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的輸出狀態(tài)數(shù)量也不同，需要進(jìn)行一些權(quán)衡。

使用閉環(huán)速度控制的電機(jī)系統(tǒng)需要足夠快速的反饋，具體取決于允許的速度容差、負(fù)載扭矩可能發(fā)生的變化以及電機(jī)的慣性。由于每個極對都有 4 種可能的輸出狀態(tài)，因此輸出數(shù)據(jù)速率可用于確定編碼器需要的輸出狀態(tài)。轉(zhuǎn)速通常以 RPM（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）為單位，如Equation1 所示，可幫助確定系統(tǒng)要求。

在慢速轉(zhuǎn)彎應(yīng)用中，主要問題通常是每次增量之間的度數(shù)。例如，如果需要每 10° 發(fā)生一次增量，則適合采用每轉(zhuǎn)具有 36 個輸出狀態(tài)的編碼器。由于每個磁極對都有 4 個狀態(tài)，因此所需的磁體將有 18 個磁極，即 9 對。

較高編碼器分辨率的缺點是需要更嚴(yán)格的機(jī)械和傳感器容差。隨著極間距減小，環(huán)形磁體的磁化深度也會減小。這限制了傳感器觀察到的磁場振幅。具有低工作閾值的鎖存器非常適合此目的，因為它們能夠檢測到較弱的磁體并有助于減少正交失準(zhǔn)。但是，如果使用極數(shù)過多的磁體，霍爾效應(yīng)鎖存器可能沒有足夠的輸入來正確觸發(fā)。將傳感器放置在更靠近磁體的位置可能會解決此問題，但機(jī)械容差可能會禁止此類調(diào)整。

另一種方法是以比使用傳動比跟蹤物體更快的速度轉(zhuǎn)動磁體。這樣，可以在不犧牲磁場強度的情況下提高精度和分辨率。例如，當(dāng)一個轉(zhuǎn)換狀態(tài)以 1:1 的比率占據(jù) 10° 的旋轉(zhuǎn)時，在 2:1 的傳動比下，同一磁極轉(zhuǎn)換現(xiàn)可占據(jù) 5°。無論是哪種情況，都必須注意傳感器在轉(zhuǎn)換過程中檢測每個極點，傳感器采樣率應(yīng)大于每秒極點數(shù)的 2 倍，理想情況下至少高 3 倍。有關(guān)其他信息，請參閱 DRV5012 超低功耗數(shù)字鎖存器霍爾效應(yīng)傳感器 數(shù)據(jù)表的應(yīng)用 部分。

使用線性霍爾傳感器

線性霍爾傳感器（如 DRV5055）也可用于增量編碼。與切換預(yù)定義磁性閾值的鎖存器件不同，線性霍爾傳感器會產(chǎn)生與磁通密度成比例的模擬輸出電壓。

使用兩個相位差為 90° 的感應(yīng)元件會產(chǎn)生正弦和余弦輸出，可用于絕對角度編碼（使用雙極磁體）。更多有關(guān)此方法的信息，請參閱相關(guān)技術(shù)資源中的資源。