TI 技术手册

增量式旋转编码器可将旋转运动转换为电信号，从而更精确地控制自动化系统。与测量角度的绝对编码器不同，增量编码器会在旋转时产生交替的高电平和低电平脉冲，可表示旋转对象的速度和方向。

应用包括计算机鼠标滚轮、流量计、旋钮、轮速传感器、用于检测失步的步进电机反馈，以及用于汽车车窗、天窗、座椅和后视镜的有刷直流电机传感器。

输出信号

当只需测量一个旋转方向时，使用具有单路切换输出的编码器，其输出与单路输出类似。

如果必须区分顺时针和逆时针的运动，请使用两个具有相位偏移的编码器输出。然后，2 位状态的顺序描述了所转动的方向。从 2 位正交输出可以看出，随着每个完整的极对通过编码器，有 4 个独特的输出条件。

使用 90° 相位偏移（“正交”）可更大限度地提高每个状态之间的时序裕度，从而防止出现机械容差、传感器不匹配和信号抖动等误差。

技术

有多种技术可用于实现增量编码：

1. 接触：这依赖于机械接触来建立或断开电气连接。通常，金属刷在中心轴附近相邻固定元件上的周期性接触点上被抽出。虽然这是一种无源解决方案，但在机械上往往很复杂，需要去抖时间、容易磨损并且无法一直在脏污环境中运行。
2. 光学：构建光学编码器时，可使用带切口的光盘以交替模式传递光，并在另一侧使用一个 LED 和两个光电二极管。正确对齐后，这种布置会产生正交序列。光学编码器可以提供非常高的分辨率，但往往体积较大，需要系统保持清洁，并且受 LED 寿命的限制（在高温下 LED 寿命会缩短）。
3. 电感：由于一个感应线圈会因互感产生电流，电感式传感器能够检测附近的导电目标。将诸如旋转齿轮之类的金属目标放置在一组感应线圈附近会产生正交输出，从而不受杂散直流磁场以及污垢的影响。此外，该感应选项是非接触式的，通常可以在机械设计中使用现有的金属物体。有关详述此解决方案的更多资源，请参阅相关技术资源。
4. 磁：磁性增量编码器使用一个具有多个北极和南极的圆形磁体。标准霍尔效应锁存器仅对 B 场矢量的一个分量敏感。因此，这些器件需要间隔放置，从而使 B 场矢量的感应分量产生 90° 相位差。这是通过以下方式实现的：将两个霍尔效应锁存器以 n +1/2 个极的间隔放置，在磁体转动时生成正交输出，如磁性增量编码器中所示。

由于以下原因，磁性编码器价格低廉、结构紧凑且极其可靠：

• 没有接触，传感器是固态电子器件
• 磁场可以穿透大多数污染物（水、油、污垢），PCB 可以与环境隔离
• 输入感应和输出信号是有效的数字信号，可提供高抗噪性

此外，使用 TMAG5110 或 TMAG5111 等 2D 霍尔效应锁存器可进一步简化设计。通过集成对磁场矢量的正交分量敏感的第二个感应元件，可以使用单个器件来测量旋转磁体的正交。这是可以实现的，因为磁体本身可以产生相差 90 度的磁场分量。为了证明这一点，8 极环形磁体的磁场矢量线的剖面图如平面磁体场矢量所示。

每转增量

为编码器选择的磁体极数不同，每转一圈产生的输出状态数量也不同，需要进行一些权衡。

使用闭环速度控制的电机系统需要足够快速的反馈，具体取决于允许的速度容差、负载扭矩可能发生的变化以及电机的惯性。由于每个极对都有 4 种可能的输出状态，因此输出数据速率可用于确定编码器需要的输出状态。转速通常以 RPM（每分钟转数）为单位，如Equation1 所示，可帮助确定系统要求。

在慢速转弯应用中，主要问题通常是每次增量之间的度数。例如，如果需要每 10° 发生一次增量，则适合采用每转具有 36 个输出状态的编码器。由于每个磁极对都有 4 个状态，因此所需的磁体将有 18 个磁极，即 9 对。

较高编码器分辨率的缺点是需要更严格的机械和传感器容差。随着极间距减小，环形磁体的磁化深度也会减小。这限制了传感器观察到的磁场振幅。具有低工作阈值的锁存器非常适合此目的，因为它们能够检测到较弱的磁体并有助于减少正交失准。但是，如果使用极数过多的磁体，霍尔效应锁存器可能没有足够的输入来正确触发。将传感器放置在更靠近磁体的位置可能会解决此问题，但机械容差可能会禁止此类调整。

另一种方法是以比使用传动比跟踪物体更快的速度转动磁体。这样，可以在不牺牲磁场强度的情况下提高精度和分辨率。例如，当一个转换状态以 1:1 的比率占据 10° 的旋转时，在 2:1 的传动比下，同一磁极转换现可占据 5°。无论是哪种情况，都必须注意传感器在转换过程中检测每个极点，传感器采样率应大于每秒极点数的 2 倍，理想情况下至少高 3 倍。有关其他信息，请参阅 DRV5012 超低功耗数字锁存器霍尔效应传感器 数据表的应用 部分。

使用线性霍尔传感器

线性霍尔传感器（如 DRV5055）也可用于增量编码。与切换预定义磁性阈值的锁存器件不同，线性霍尔传感器会产生与磁通密度成比例的模拟输出电压。

使用两个相位差为 90° 的感应元件会产生正弦和余弦输出，可用于绝对角度编码（使用双极磁体）。更多有关此方法的信息，请参阅相关技术资源中的资源。