编码器缩小以匹配越来越小的电机

编码器是电机控制系统的组成部分，可感应机械运动，然后生成数字信号以响应该运动。今天的趋势是制造更小的机械和电子设备，电机及其编码器是机器人、无人机、医疗设备和手持设备等应用中这一趋势的一部分。设计人员现在面临的主要挑战是试图将必要数量的设备放入编码器不断缩小的空间分配中。

无论系统是自动取放(xy 定位)、汽车(辅助车道检测)还是机械臂，编码器提供的位置反馈信息都是电机控制系统不可或缺的一部分。 编码器可以在运动应用中提供增量或绝对位置。当应用需要相对电机位置时，增量编码器很有用。一种将这些类型的编码器与交流感应电机一起使用。相比之下，将绝对编码器与永磁无刷电机配对有助于伺服应用。编码器反馈通过提供转子方向、速度和位置来确保电机定子的同步。

嵌入在编码器中的是电机位置传感设备和几个模数转换器 (ADC)。这些电路将电机的运动(例如速度、方向和轴角)转换为它们提供给系统微控制器或处理器的电信号。在图的示例中，编码器使用连接到电机定子的光学轮。编码器的输出信号提供的信息使系统的微控制器能够确定定子的速度，从而控制电机和光学轮的旋转速度。

图：光学编码器的基本传感电路。

光学编码器使用一个 LED 和一个彼此相对放置的光电二极管，窗口光学轮位于它们之间。当光学轮转动时，来自 LED 的照明是恒定的。LED 灯一次一个地透过每个轮窗照射。当 LED 光透过窗户照射时，跨阻放大器 (TIA) 输入端的光电二极管将入射光转换为电流 (IPD)。IPD 电流流过反馈电阻 R F ， 在 TIA 的输出端产生一个大于 V REF的电压。

信号通过增益模块，然后通过 ADC 驱动放大器——在本例中为 MAX44242——它是一个 180MHz、低噪声、全差分逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 驱动器。旁边是 ADC，它不断对驱动器输出进行采样，以随着时间的推移构建方波。

图中的 图表仅说明了光学编码器的一个通道，但编码器通常具有至少两个相同的信号通道，每个通道聚焦于不同的窗口。因此，适当的 ADC 编码器拓扑采用双路同步 SAR ADC——在本例中为 MAX11192。双编码器可提供 12、14 或 16 位分辨率，更高分辨率的 ADC 可提供额外的灵敏度和定位精度。对于该编码器，双路同步采样 SAR ADC 会拍摄一致的快照，从而提供编码器电机方向、速度和位置的瞬时图像。图 显示了一个双通道编码器的输出示例。

图 ：编码器的光学输出。

编码器产生脉冲，指示系统必须解释的短距离运动，例如通过计数脉冲将它们转换为位置信息。编码器的输出有两种计数方法：

脉冲计数表示随时间的运动和速度。

ØA 与 ØB 相比的通道顺序指示了方向。

缩小的编码器

理想情况下，编码器的所有电子设备都在外壳或圆环内，因为编码器内部的 PCB 可以最大限度地减少互连。但随着编码器的立方面积减小以匹配缩小的电机，PCB 的方形面积也减小了。此外，随着光学编码器内部空间的不断收紧，在开发阶段验证设备布局变得更加关键。小型电机编码器的直径可小至 25 mm，轴径为 4 mm，因此设计挑战变成了用更小的器件填充更小的 PCB 的过程。

图 2中描述的组件以及各种电容器必须全部安装在编码器的 PCB 上。在这种情况下，MAX11192 系列通过提供 3 x 2-mm 尺寸和 0.75-mm 间隙的 TFDN 塑料封装选项来帮助满足紧凑的空间限制。这种超小型封装选项允许电机编码器的缩小的圆环形状和内部 PCB 尺寸继续容纳所有需要的电子设备。

审核编辑：汤梓红