可提升微型化系统效能的新光学编码器技术介绍

　　多年来光学编码器已经广泛地被应用在测量位置、速度、加速度以及运动方向上，随着高效能与微型化成为主流设计目标，它们也逐渐找到新的应用方向。新编码技术的开发将重点放在低耗电、精简尺寸与低成本上，以便能够应用于数位相机以及手机相机内的自动对焦与变焦机制上。另外，消费性产品如缝纫机、游戏设备以及监控摄影机等也都可受惠于精简型编码器，医疗设备与产品，例如胰岛素泵、便携式医疗设备、电子轮椅与验光设备等也都需要低耗电、高解析度与完整的叁通道编码能力。

　　现代编码器必须能够适应目前空间越来越小的应用，但高效能应用却无法忍受不完整的功能或需要依赖外部电路来提供索引通道，编码轮设计也是整体尺寸的重要影响因素，例如Avago的AEDR-850x叁通道编码器不需额外的独立圆形轨道做为索引通道，使得编码轮可以达到相当小的直径，在重视尺寸的新设计中，编码器与编码轮的需求必须要一起考虑。

　　图1为闭迴路运动回授结构，在这个例子中，一个精简的编码器与编码轮被安装在微型马达封装内，直到最近这类应用仍然只能使用二通道编码器，塬因是加上第叁个或索引通道会加大编码轮直径，超出了可允许的空间。

　　

　　使用新编码器技术达成全功能精简设计

　　Avago的AEDR-850x反射式编码器整合了LED光源、光侦测器、可以提高每转计数值（CPR， Counts per Revolution）的插值电路，以及叁通道（A、B与索引）编码能力于单一封装内，占用空间仅3.95mm×3.40mm，高度为0.9562mm，採用的单环氧树脂圆顶结构封装有助于缩小编码器尺寸。

　　以Avago的AEDR-850x光学增量型编码器为例，可以使用编码轮直径仅4.6mm与光学半径（Rop）为1.7mm的编码轮来开发马达控制系统，请参考图2。编码器运作只需5V电源与一个180Ω的LED偏压电阻即可完成叁通道编码能力，电阻R主要用来设定内部LED电流在约15mA。

　　

　　精简型编码器需要小直径编码轮

　　在Avago的AEDR-850x推出之前，编码轮会因加入独立的索引轨道而变得过大，因此无法在微型化应用中实现具备第叁个索引通道的增量型编码器，Avago专利的单轨道编码轮技术把索引资讯嵌入到塬有的A与B轨道上，可以在不增加编码轮实体尺寸的条件下实现具备叁通道编码能力的精简型编码器。

　　在传统的叁通道光学编码器中，通常A与B通道会有独立的轨道，并使用独立的光学轨道做为索引，AEDR-850x中内含叁通道资讯的单一轨道可以帮助应用达到微型化与高效能的设计目标，并取得低耗电LED技术的优势。做为比较，市场上採用雷射的叁通道编码器价格较为昂贵，并且需要比LED编码器要高的耗电，这些解决方案的尺寸也大了许多，甚至可以高于AEDR-850x反射式编码器七倍以上。

　　AEDR-850x中索引通道宽为不透明区角度宽的叁倍，索引资讯嵌入到塬有的AB轨道中，请注意，在嵌入式索引轨道设计中，使用二个不透明条做为索引，降低了整体的实体条数目，不过这并不会影响到每转计数值（CPR），塬因是索引转换时的计数值由AEDR-850x内建的智慧型信号处理电路产生。

　　第三通道带来绝对中心位置指示

　　典型的光学编码器拥有A与B两个数位输出通道，通道输出间相差90电子度（°e），这样的组态定义了所谓的正交输出信号，当编码轮以逆时针方向转动时，如图叁，通道A领先通道B，当被监测的马达反向时，通道B就领先通道A，不管採用硬体或软体方式，都可以非常容易透过正交信号决定转动的方向以及相对位置、速度以及加速度。

　　增量型编码器系统中的所有测量都是相对的，塬因是两个通道都未输出绝对位置，如果需要绝对位置资讯，则需要较为复杂并且昂贵的绝对编码器，不过透过为二通道编码器加上索引通道，就可以提供中心位置或零参考点，这是一个普遍使用于较低成本系统的有效方法。

　　索引位置为增量型系统中的一个绝对位置数据点，依应用需求的不同，编码器的索引通道可有闸控90°e、闸控180°e或无闸控360°e脉衝宽度，请参考图3。

　　

　　编码轮计算方程式非常简单

　　在选定编码器后就可以开始进行编码轮设计，方程式一与方程式二为设计符合编码器每英吋线数（LPI， Line Per Inch）规格与CPR设计目标编码轮所需的唯一工具。

　　方程式一 CPR、LPI与Rop间的关係

　　

　　方程式二 CPR与编码器频率最大外壳封装RPM

　　

　　编码轮光学半径Rop可由已知的编码器LPI/LPmm与目标CPR通过方程式一计算得出，举例来说，如果设计需要828CPR，依AEDR-850x固定的304LPI规格，光学半径Rop为：

　　

　　以828CPR与1x插值设定，设计可以支援的每分鐘最高旋转数Rpm可以透过方程二计算取得：

　　

　　AEDR-850x最高计数频率f在1x插值下为55kHz，但是在相同的Rop尺寸下，AEDR-850x的CPR可以透过使用二个TTL相容逻辑信号SEL 4X与SEL 2X选择不同的插值係数加以提高。

　　

　　保持微型编码轮洁净

　　和所有的编码器一样，编码轮需要防止灰尘污染以保持稳定的效能输出，这一点对叁通道反射式编码器特别重要，由于索引轨道由3xWB不透明区产生，因此任何遮蔽轨道的灰尘都可能造成侦测器看到3x WB区，从而产生错误索引信号。

　　图4显示了灰尘可能造成的微型化叁通道编码轮错误。

　　

　　结论

　　随着新光学编码器技术，如Avago公司AEDR-850x叁通道编码器的推出带来前所未有的微型化可能性，控制应用从现在起可以受益于使用单一编码轮轨道取得A、B与索引通道等叁个资讯，而这正是实现微型化的重要关键因素。

　　另外，1x、2x与4x插值能力也可提高每转计数值而不需要更换成新的或更大的编码轮设计，只需些微，甚至不用更改设计即可重复使用在不同的终端产品上。

　　医疗应用、数位相机以及行动电话摄影镜头等产品现在就可以开始透过採用新微型化叁通道低耗电LED光学编码器产品而获益。

　　作者 安华高科技（Avago Technologies）技术行销工程师Swee Hing Young