通过旋转轴编码器进行运动传感确保安全和控制

电机的发展是文明推进的一个重要里程碑，但直到电子时代，由于电子传感器技术，位置反馈，加速度，应力和速度才变得精细可调和可测量。
编码器是一种感应运动并将电机速度，方向和轴角转换为电信号的设备。轴编码器可用于需要状态和控制的任何复杂旋转机器。本文讨论旋转轴编码器和监控旋转机器的技术。可以在Digi-Key网站上找到本文中引用的所有部件，数据表，开发套件和培训模块。
早期的机械解决方案
早期的汽车发动机技术是齿轮同步的，几乎不需要外部传感或控制。例如，机械分配器适于基于发动机曲轴位置打开和关闭电接触点。时机是固定的，或多或少地硬编码到齿轮机构中。为了获得更可靠的定时和控制，这增加了更严格的制造公差。
随着时间的推移，复杂的设计尝试根据加速度和发动机转速来优化时间。只有通过离心和真空推进机制等卓越的解决方案，发动机才能在更高的水平上运行，性能更加平稳。但是，虽然机械系统让我们开始，但电子设备在我们机械系统独自完成之前就已经超越了我们。
带齿轮，链条，滑轮或机械耦合的系统仍然可以使用位置开关传感器来执行重要功能。即使使用精确的绝对编码或增量编码，系统也应该重新同步归位或注册位置，从而创建一个自校正复位，使系统进入“已知”状态。如果微型传动装置错过某些脉冲，或者齿轮在某处滑动，则每个错误都会累积起来。及时，错误是如此之大，系统可能变得无法使用或危险。归属或注册重新同步可以检测并纠正此类错误。
有多种技术可用于创建家庭和注册位置反馈。机械开关是最简单的。十几种制造商为极限检测和驱动验证制造了各种各样的杆，叶，滚子，弹簧拉，肘节臂和其他设计。这些坚固耐用的机械开关专门用于销，柱塞，滚子，旋转，摆动和其他类型的驱动（图1）。

图1：用作极限或配准指示，坚固耐用的机械开关用于销，柱塞，滚子，旋转，摆动等致动类型。

欧姆龙SS-5GL2T等分立式开关以及霍尼韦尔GLCA01A1B等工业级坚固部件都是这里提供的各种选择的例子。霍尼韦尔（中国）提供有关在工业应用中使用旋转开关的培训，可在Digi-Key网站上获得。
不要忽视这项技术，特别是在工业领域或存在安全问题时。即使您使用光电，磁力或轴编码器，电子设备也偶尔会出现故障。通过机械故障检测器对电机电源线进行布线将确保电机不会进入失控模式并自行毁坏或引起安全问题。
光槽检测器也可用作配准指示器;对于任何齿轮，皮带轮或离合器机构，所需要的只是一个可以穿过红外线的孔。光槽检测器可以具有直接馈入微控制器的逻辑输出，或者它们也可以具有晶体管输出。虽然通常不是高功率晶体管，晶体管输出光槽检测器方法的一个可能的优点是它可以用作灾难性故障安全联锁的一部分，因为高达200 mA的电流容量可以控制安全继电器，而安全继电器又可以，可以切断电机的电源。
绝对编码器
无论您如何重新同步，旋转平面都是传感器可以指示速度，加速度和位置的位置。为了精确的状态和控制，轴编码器连接到轴上。轴编码器有多种技术。最高级别的区别是它们是绝对的还是增量的。
绝对编码器输出并行数据总线值，指示其相对于编码器上已知起始点的确切位置。编码器与轴相连，数字值的二进制读数是轴的精确位置（图2）。

图2 ：绝对编码非常适合在任何时间读取确切位置。 8位编码器的分辨率为1.4°。

通常，这种类型的编码器的缺点是它们昂贵且难以接口，因为线连接的数量与分辨率位的数量成正比。这意味着需要更大的并行电缆，处理器上的大量I/O或离散逻辑（或两者）。
通过使用SPI等串行接口可以解决这个问题。例如，考虑Avago Technologies的二进制绝对编码器（图3）。 AEAT-60xx系列磁性角度旋转探测器使用串行数据流和时钟，能够以数字形式读出绝对位置。这简化了布线和接口，因为需要更少的I/O线和更少的处理器功率（或逻辑）来提取所需的信息。

图3：Avago AEAT系列磁编码器通过SPI接口提供绝对位置信息。分辨率高达12位可提供高达0.0879°的分辨率。

例如，AEAT-6012-A06可以在12位版本中解析0.0879°。 AEAT-6010-A06是10位版本，分辨率为.35°。非接触式传感是该系列的另一个优点，并且缺少任何类型的所需调整，因此非常适合埋藏应用，一旦使用，无需进行任何调整。 -40°至+ 125°C额定值使其成为坚固耐用应用的理想选择。
绝对编码器的另一个例子来自CUI及其基于AMT203-V电容的绝对编码器。通过电容式感应编码器，AC场发射器在转动时向金属转子发送信号。转子上的金属图案产生可预测和重复的信号，可以转换成脉冲。
这种编码器的优点包括更低的成本，因为它们更容易组装。电容式传感器不会受到空气中颗粒物质的破坏，质量较小，因此间隙最小化，转动惯量减小。也没有LED失败。由于您不需要点亮多个LED和探测器，因此它们也可以使用更少的功率。
绝对编码器的一个优点是它们可以实现更高的分辨率。寻找10位，12位甚至16位编码器，每转提供更精细的65535分辨率计数并不罕见。
CUI的MT203绝对式旋转编码器包含在培训模块和视频中，用于说明如何使用它们以及它们的工作方式。一个特别好的功能是可以通过SPI接口设置零点。这消除了对机械设定点组件的需要。
增量式编码器
最常见的旋转轴编码器形式是增量式。而不是表示绝对位置的并行数据点，一系列脉冲可以计算参考起始位置的相对角位移。与大多数绝对旋转轴编码器相比，它们不那么复杂并且通常便宜，并且通常可以以更高的速度运行。
与绝对旋转轴编码器一样，增量单元需要通过机械，光学，磁力或电容耦合到物理轴。与大多数绝对编码器不同，增量编码器将使用双相编码（也称为正交编码）。
对于正交编码，两条数字线以90°偏移重叠（图4）。这提供了固有格雷码格式的每个脉冲四个计数。可以使用简单的逻辑电路来控制离散计数器块或微控制器定时器/计数器外围设备的顶部接口。
正交编码器的另一个优点是它们可以自动告诉您方向。如果信号A指示信号B，则表示您顺时针旋转。如果信号B引导信号A，则逆时针旋转。
增量电容式轴编码器解决方案的一个很好的例子来自CUI及其AMT100系列模块化编码器。 AMT10X-V KIT展示了如何使用电容传感技术实现低成本，高分辨率的系统。使用高频参考信号，可以感知电容变化。

图4：正交波形可以通过微控制器的I/O直接解码，或直接驱动计数器逻辑以指示增量运动。

与光轴编码器相比，电容技术具有一些优势。首先，它可以做得更小，因为不需要光盘。这很重要，因为许多旋转机械系统受空间限制。
AM102和AM103系列的一个很好的功能是它们具有可选择的分辨率。组件上的4位DIP开关允许设置多达16种不同的可编程步进分辨率，这使得单个部件能够在多个位置和应用中工作。
有关电容式增量旋转轴编码器的特性和用途的CUI培训模块以及显示机电组件如何安装到标准电机轴的视频可在Digi-Key网站上找到。
光学增量
最常见和最具竞争力的旋转轴编码器是光学增量式，许多制造商提供各种设备组合。对于光学增量旋转轴编码器，位置参考盘阻挡或通过IR光。通过偏移发射器/探测器对创建双通道重叠模式（图5）。

图5：带偏移发射器的单个探测器环/探测器对可以直接产生正交波形。注意“I”通道配准指示器。

一个漂亮的低成本PCB安装光轴编码器是Grayhill的62P22-H4，每转提供16个位置，单个封装中有一个开关。可以在Digi-Key网站上找到Grayhill光学编码设备，用途和接口的培训模块。
应该注意的是，并非每个旋转轴编码器应用都是一台大而重的机器。例如，用于汽车立体声系统的音量控制可以利用这样的部件来提供升压和降低的音量控制，而没有装饰罐在老化或变脏时可以经受的静电和噪音。
松下EVE-GA1F1724B等机械式旋转编码器是上述示例的不错选择。机械开关非常适合音频和视频应用，易于接口和匹配，可实现低成本，偶尔使用方向感应正交编码。
对于重型机械和坚固耐用的高端应用，Bourns ENS1J-B28-L00256L等精心设计的光学旋转轴编码器可能是一个不错的选择。该部件在垂直基于通孔的PCB安装组件上每转256步。它具有滚珠轴承选项，可支持高达3,000 RPM的转速，并具有长寿命和耐用性（高达2亿转）。它还提供线引线，用于远程安装在机械组件内。结果

总结

从显微镜实现的陀螺仪到巨型望远镜炮塔，监视和控制旋转机器的速度，方向和轴角的能力对于它们的使用至关重要。本文讨论了旋转轴编码器的特性，实现和性能，并提供了绝对，增量和光学增量部件的示例。有关此处讨论的产品的更多信息，请使用提供的链接访问Digi-Key网站上的产品页面。