电容式旋转编码器将助力移动机器人更为节能
随着智能制造与物流自动化的快速发展，移动机器人（Mobile Robots）已广泛应用于仓储搬运、巡检与智能工厂等场景。在这些应用中，驱动系统的效率与定位精度直接影响整体运行能耗与作业效率。旋转编码器作为电机控制与运动回授系统中的关键传感器件，负责提供精确的速度与位置信息，协助控制器进行实时调整。本文将深入探讨最常见的编码器技术及其在不断增长的自主移动机器人市场中的作用，以及由Same Sky推出的AMT系列旋转编码器的功能与特性。
高效编码器实现节能效果提高机器人的移动能力
商用移动机器人正在催生巨大的设备和服务市场，据最新研究预测，仅无人机一项，到2030年的市场规模就将超过500亿美元。此外，在地面上的移动机器人正被应用于工业、商业和家庭等各种场景，以比人类更快、更经济高效的方式完成任务，在不适合人类的环境中作业，或以协作方式减轻工人重复性或体力劳动强度。
机器人的移动性推动了对电池供电的需求，因此，提高整机的能源效率对于最大限度地延长运行范围至关重要。合理管理有限的电力预算对于确保机器人在充满电后，能够工作更长时间或行驶更远距离至关重要。无论是需要尽可能远距离飞行以运送食品援助的无人机，还是必须保持最高运行时间以提升运营商利润的仓库助手，或是市场吸引力直接取决于每次充电后工作量大小的家用机器人（例如吸尘器或割草机），上述情况都适用。更高的效率还能让设计人员更自由地控制成本、尺寸和重量，使机器人能够使用更小的电池运行更远的距离。
要达到上述的目标，编码器的选择至关重要，它用于捕获控制器执行电机矢量控制算法所需的位置信息，而编码器的选择会对系统的能效产生重要影响。在多电机系统中，选择高效编码器所实现的节能效果可以显着降低功率预算。在当今可用的编码器技术中，电容式编码器不仅可以提高效率，还可以提高可靠性、减少维护、降低开发成本并加快产品上市速度。
各具特色的光学编码器和磁性编码器
飞行距离或运行时间的显着提升，需要在所有机载子系统中实现诸多点滴节能。由于移动机器人通常配备多个电机来驱动执行器或定位机构（例如相机云台），因此电机控制器效率的微小提升就能带来更大的整体收益。电机的控制和换向关键在于随时了解转子的角位移。光学编码器和磁性编码器则是实现此目标的两种常用选择，但它们各自也存在缺点。
光学编码器由LED光源和光学传感器组合而成，用于检测通过或反射自安装在电机轴上的码轮的光线。两个正交排列的LED可以同时检测电机的转速和方向。第三个LED可用于监测码轮上的单个标记，从而向电机控制系统提供索引脉冲。
光学编码器由LED光源、接收器和码轮组成
编码器的分辨率（以每转脉冲数 (PPR) 表示）取决于码轮上精密间隔标记的数量。光学编码器可以具有非常高的分辨率，但也存在一些缺点。例如，它们容易受到灰尘、油脂或冷凝水的影响，这些物质会积聚在码轮上，导致漏读或误读。此外，LED的亮度会随着时间的推移而降低，最终烧毁，导致编码器故障，而这种故障只能通过更换编码器来解决。
就能效而言，光学编码器的确会消耗相对较高的电流，尤其是在分辨率设置更高、输出信号格式更复杂的情况下，电流消耗会进一步增加。事实上，从最低分辨率到最高分辨率，电流消耗可能会增加一倍以上。某些编码器在最高分辨率下电流消耗可高达85 mA。与电机功耗相比，这听起来似乎微不足道，但在5 V和85 mA的条件下，编码器的功耗为0.425瓦，在一个四电机系统中，仅编码器就消耗1.7瓦的功率。降低这种电池能量消耗可以让应用增长时间以运行其他系统，例如板载摄像头、传感器或小型执行器。
磁性编码器则提供了一种无需视线接触的替代方案，因此不易受污染的影响。此外，磁性编码器即使浸入齿轮油等非导电液体中也能正常工作。另一方面，与光学编码器相比，磁性编码器的位置分辨率和精度通常较低。根据磁性编码器的类型，最大电流范围从20 mA到160 mA甚至更高。
基于电容技术的旋转编码器更为节能高效
Same Sky的AMT旋转编码器采用电容式技术，是一种节能高效的替代方案。该传感器的工作原理与数字游标卡尺相同，由一个固定体和一个移动器件组成，二者共同构成一个可变电容器。编码器旋转时，该电容器会产生一个独特但可预测的信号，用于计算轴的位置和旋转方向。借助板载处理器，ASIC和微处理器可以协同工作，生成更复杂的输出，例如无刷直流（BLDC）电机所需的换向脉冲或绝对式编码器的串行输出。
电容式编码器采用与数字游标卡尺相同的原理
电容式工作原理使编码器即使在多尘或肮脏的环境中也能保持精度，例如仓库、工厂车间或户外部署的设备。与磁性技术一样，电容式编码器也可以浸入像是齿轮油这类的非导电液体中，这可以省去昂贵的码轮外壳密封费用，并最大限度地减少对码轮盘的日常清洁或更换需求，而这些在使用光电编码器时通常是必要的工作。同时，与其他编码器技术相比，电容式编码器可提供同等或更高的精度，典型精度值为0.2度。
在能效方面，AMT电容式编码器也具有巨大的优势。例如，AMT10和AMT10E编码器的电流消耗不到同类光学编码器的十分之一，这可以显着节省系统功耗。例如，在四电机系统中，AMT10和AMT10E在5V和6mA工作电压下的功耗仅有0.12W，如前所述，某些光学编码器在类似的四电机系统中的功耗高达1.7W，而磁性编码器的功耗高达3.2W，因此AMT10和AMT10E的整体效能表现更为优异。除了AMT10和AMT10E系列之外，Same Sky的其他AMT系列增量式、绝对式和换向式电容编码器仅需5V和16mA的功耗，与光学编码器和磁性编码器相比，仍然能够显着节省功耗。
电容式旋转编码器不仅能够节省足够的功耗来满足其他车载子系统的全部需求，而且与光学编码器相比，所需的维护更少，后者可能需要清洁才能恢复精度。磁性编码器虽然坚固耐用，但其精度通常低于光学或电容式编码器，并且功耗几乎是光学编码器的两倍。
如果机器人配备多个电机来执行各种任务，那么将所有光学或磁式转子位置编码器替换为电容式编码器，可以显着降低整体功耗，从而为GPS模块、无线通信或传感等子系统提供足够的电力，使电池的更多能量能够用于延长机器人的工作范围。
目前电容式绝对编码器也正在机器人领域日益普及，例如Same Sky的AMT21、AMT22和AMT24系列。虽然增量式编码器和绝对式编码器都可用于测量旋转轴的速度、方向和位置，但绝对式编码器具有随时输出轴位置的优势，包括上电时可省去了增量式编码器所需的归位程序。此外，绝对式编码器还能以极低的延迟实时提供真实位置，使其成为需要精确位置数据的自主移动机器人应用的理想选择。
AMT系列模块化编码器相当坚固耐用，可在-40℃至125℃的温度范围工作，并支持防尘、防污、防油，无需额外盖板、盖子或密封件即可防止暴露，适用于真空和高压环境。在功能上相当灵活便捷，支持多达22种可编程分辨率，套筒孔径选择范围涵盖1 ~ 15.875毫米（5/8英寸），组装简便并有多种线路驱动器和连接器可选。此外，AMT编码器还具有高效节能的特性，支持低电流消耗，由于采用低质量内部转子，旋转所需功率低且封装紧凑。结合AMT系列模块化编码器的这些优势，将可使工程师在原型设计阶段，无需采购额外单元即可获得更大的灵活性，同时采购经理也能大幅减少生产中的SKU数量。
Same Sky AMT模块化编码器
电容式旋转编码器在移动机器人中发挥重要作用
随着移动机器人的普及，对电池供电的需求日益增长。随着市场的发展和终端用户需求的不断提高，每一毫安时的电池能量都将变得愈发珍贵。此外，目前涌现的移动和空中平台集成了大量的电机，这些电机不仅用于驱动车轮或旋翼，还用于各种定位机构和执行器，而这些机构和执行器通常需要在多个轴向上进行运动控制。电机的功耗范围很广，从小型定位机构的几瓦到牵引或升降所需的几十瓦甚至更高。每个电机都配有相应的驱动／控制器单元，这些单元也会消耗大量的功率。降低每个电机系统的功耗可以释放更多电池能量用于其他用途，而多个电机的累积效应则能为打造续航里程更长、电池容量更小的机器人带来显着优势。
小型移动机器人和民用无人机等经济实惠的自动化设备，将继续革新制造业、物流配送和资产管理等领域。采用电容式技术的旋转编码器有望在这场激动人心的移动机器人革命中发挥重要作用，其节能效果远超人们的想象。更广泛地说，它们还能帮助众多应用领域的生产商满足能效法规的要求，例如欧盟的IEC 60034-30-1标准，该标准定义了三相感应电机的能效等级。得益于这些小型高效节能的器件，各地的电机驱动设备都能以前所未有的速度运行更长时间，同时降低能耗。
结语
在移动机器人对高效率、长续航与高精度控制需求不断提升的背景下，旋转编码器已不仅是单纯的位置回授器件，而是影响整体能效表现的重要关键。通过导入更高分辨率的传感技术、低功耗信号处理架构，以及更可靠的数字通信接口，电容式旋转编码器能够协助电机控制系统实现更精准的速度与位置控制，降低不必要的能量消耗与机械损耗。由Same Sky所推出的AMT系列旋转编码器将在移动机器人的高效驱动与能源管理中扮演更加重要的角色，进一步推动节能化与智能化移动机器人系统的发展。
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