助力伺服系统，光电编码工艺革新磁编码芯片升级

电子发烧友网报道（文/李宁远）作为伺服系统中最关键的零部件之一，编码器一直以来扮演着能够决定伺服系统上限的重要角色。编码器本质上其实也是一种传感器，测量旋转或者位移，并将其转换成电信号用于确定位置、计数、速度或方向。
 
编码器根据不同检测技术路线的可以分出很多类别，如光电式、磁电式、电容式、电感以及电涡流式等等，也可以将其简单地按照运动方式分为线性和旋转式编码器。
 
编码器的关键分类，增量与绝对信号
 
不管使用光电检测还是磁性检测来检测旋转或者直线位移，编码器都可以用增量式和绝对值式加以严格的区分。两种类型的编码器总体结构上是比较类似的，无外乎使用码盘、检测装置和放大整形电路组成，但是，二者具体的码盘结构和输出信号则完全不同。
 
概括来说，编码器可以产生增量信号或绝对信号，增量信号不表示特定位置，只表示位置已更改，绝对信号既能表示位置的已更改也能提供绝对位置指示。
 
增量式编码器有A、B、Z三个信号通道，A与B信号的脉冲误差90°，Z为零位信号，也就是每转一圈只有一个Z信号。增量式编码器的分辨率通过每转多少脉冲表示。增量式编码器的结构非常简单，成本也很低，但是很通用，能覆盖很广的测量范围，而且分辨率高，适合高精度闭环应用。但是增量式编码器断电后，位置信号会丢失，抗干扰性能也相对较弱。
 
绝对值编码器如果应用在角度等往复运动的测量，则使用高分子材料或者玻璃制成的格雷码。绝对值编码器的分辨率和码盘位数有关。在单圈测量中，绝对值编码器能够在每一个角度位置输出一个唯一的信号，在多圈测量中，绝对编码器能够在每一圈每一个位置输出唯一的信号。绝对值编码器即便掉电，编码数据也不会丢失，但是相对来说其结构和处理电路就复杂很多，价格也高出不少。
 
光电编码器通过工艺革新升级性能


光电式编码器比磁电式编码器出现的时间早很多，虽然现在市面上大多听到的都是磁电式编码器这个后起之秀更新迭代的信息，但是高工艺水平下的光电式编码器可以实现更高精密的测量。
 
提高光电编码器的精度和分辨率最简单的办法就是增加码道的数量，一是加大码盘尺寸，二是缩小码道宽度，加大码盘在现今小型化趋势下显然不可取，缩小码道宽度又会让工艺难度直线上升。
 
目前有一种通孔加工技术使用MEMS工艺，在PD芯片上形成通孔，将特种LED置于其中，实现LED与PD芯片级的合二为一。通过调节PD芯片的厚度，能使LED的高度与PD感光区域的高度保持一致，极大提高分辨率。
 
栅刻划制作技术也是一项光电编码器厂商核心实力的体现，国内禹衡的栅刻划制作技术在线条均匀性、线条准直性、光栅精度在中端市场受到广泛认可，目前绝对位数最高已经可以做到29 bit。
 
不少厂商开始通过实现PD与外围电路的一体化设计、设计特殊的降低噪声的电路结构等方式，让器件更加易于使用，并发挥出更好的性能，或者改进芯片晶体结构，实现电流限制型LED更高的可靠性，核心工艺的革新持续升级着光电编码器的性能。
 
磁编码芯片的性能突破
 
磁编码器技术的推进在耐用性上大大超过了光电编码，磁编码器中最重要的无疑是其中的编码器芯片。像ICHAUS、BROADCOM、AMS、英飞凌等这些厂商都能为编码器提供ASIC级整体解决方案，有专用的感应芯片和解码芯片等等。
 
AMS在磁编码芯片中就集成了动态角度误差补偿DAEC技术，能实现高转速下的零延迟检测，在低转速下，则使用动态滤波DFS降低转换噪声。Melexis磁编码则可以通过单个传感器实现高精度三轴磁场测量，而且从测量范围到线性传输特性均可以进行编程，灵活度十足。BROADCOM的增量磁旋转编码同样可以对零位，方向和指数脉冲宽度进行编程。
 
解码芯片现在也在往更高的频率升级，在编码器和MCU中构建起顺畅的连接。为了应对多杂讯环境下干扰，解码芯片在输入上也会加上Schmitt-triggered CMOS输入和噪声滤波提高抗扰度。
 
小结
 
编码器的选择还是取决于应用场合和运动类型，环境条件和系统的控制电子装置也对编码器的选择影响不小。编码器具有不可否认的高精度，并且集成到控制电子装置的过程相对来说也不那么复杂，在伺服系统中不可或缺。