磁性編碼器結(jié)構(gòu)及工作原理

文章來源：http://www.douyo.cn/  發(fā)布時間：2019/04/24    點擊數(shù)： 　　如果有機(jī)會拆開一只磁性旋轉(zhuǎn)編碼器，通常會看到類似下圖這樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。與一般的編碼器（或Resolver）相比，磁性編碼器有著相同的機(jī)械軸與外殼結(jié)構(gòu)，但同時其位置檢測機(jī)構(gòu)卻又顯得非常簡單，僅僅是安裝在機(jī)械軸末端跟隨軸旋轉(zhuǎn)的一塊小磁鐵和編碼器尾部的一塊PCB線路板而已。磁性編碼器是用用測量角度位移速度距離的新型傳感器裝置，今天我們一起來了解一下磁性編碼器結(jié)構(gòu)及磁編碼器工作原理。
　　磁性編碼器結(jié)構(gòu)

　　磁性編碼器主要部分由磁阻傳感器、磁鼓、信號處理電路組成。將磁鼓刻錄成等間距的小磁極，磁極被磁化后，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生周期分布的空間漏磁場。磁傳感器探頭通過磁電阻效應(yīng)將變化著的磁場信號轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，在外加電勢的作用下，變化的電阻值轉(zhuǎn)化成電壓的變化，經(jīng)過后續(xù)信號處理電路的處理，模擬的電壓信號轉(zhuǎn)化成計算機(jī)可以識別的數(shù)字信號，實現(xiàn)磁旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼功能。

　　磁鼓充磁的目的是使磁鼓上的一個個小磁極被磁化，這樣在磁鼓隨著電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，磁鼓能產(chǎn)生周期變化的空間漏磁，作用于磁電阻之上，實現(xiàn)編碼功能。磁鼓磁極的個數(shù)決定著編碼器的分辨率，磁鼓磁極的均勻性和剩磁強弱是決定編碼器結(jié)構(gòu)和輸出信號質(zhì)量的重要參數(shù)。

　　磁阻傳感器是磁阻敏感元件做成，磁阻器件可以分為半導(dǎo)體磁阻器件和強磁性磁阻器件。為了提高信號采樣的靈敏度，同時考慮到差動結(jié)構(gòu)對敏感元件溫度特性的補償效應(yīng)，一般在充磁間距λ內(nèi)，刻蝕2個位相差為丌／2的條紋，構(gòu)成半橋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

　　同時，為了提高編碼器的分辨率，可以在磁頭上并列多個磁阻敏感元件，在加電壓的情況下，磁阻元件通過磁鼓旋轉(zhuǎn)輸出相應(yīng)正弦波。其原理可簡單解釋：磁鼓產(chǎn)生NS的磁場作圓周運動,磁阻元件做成的傳感器隨磁場變化電阻也隨之變化，并感測出SinA，SinB兩個電壓波形。磁阻傳感器的構(gòu)造如圖，由8個磁阻分為兩組相距1/4 NS間距。在Mr1，Mr2與Mr3，Mr4的接點處可檢出Sin電壓波形，同樣原理在Mr1‘，Mr2‘與Mr3‘，Mr4‘的接點處可檢出SinB電壓波形。

　　從磁阻傳感器輸出的兩路波形信號處理電路：SinA，SinB信號到達(dá)信號處理電路后，為了能在cpu取樣的范圍內(nèi)，需對波形進(jìn)行調(diào)整。首先AB相信號需先做DC電壓準(zhǔn)位調(diào)整，使AB相信號直流準(zhǔn)位位于DSP A/D取樣電壓范圍的中點，且振幅不超過取樣電壓范圍，AB相信號再經(jīng)過模擬濾波器及數(shù)字濾波器，將高頻及諧波濾除后，通過DSP高速運算能力實時地將計算出位置和速度；另外還有一種處理方法是將SinA、SinB信號直接通過信號處理電路轉(zhuǎn)換成方波后再進(jìn)DSP。后者可能軟件處理起來更方便一些。

　　磁編碼器工作原理

　　磁編碼器是一種新型的角度或者位移測量裝置，其原理是采用磁阻或元件對變化的磁性材料的角度或者位移值進(jìn)行測量，磁性材料角度或者位移的變化會引起一定電阻或者電壓的變化，通過單片機(jī)處理后輸出脈沖信號或者模擬量信號，達(dá)到測量的目的。同心碼道從磁編碼器碼盤的中心出發(fā)，向外擴(kuò)展直到碼盤外部，每一層碼道都比其內(nèi)層多了一倍的分區(qū)。第一層只有一個透光扇區(qū)和一個不透光扇區(qū)，位于中心的第二層就具有兩個透光扇區(qū)和兩個不透光扇區(qū)；而第三層碼道的透光扇區(qū)和不透光扇區(qū)就各有四個。內(nèi)置式感應(yīng)頭體積小，適用于小安裝空間，并采用高保護(hù)等級設(shè)計，可使用于惡劣環(huán)境，在工業(yè)用場合可避免一般光學(xué)式環(huán)境污染的敏感性，增加系統(tǒng)長期穩(wěn)定性。

　　磁編碼器由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差，將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別磁編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得的零位參考位。磁編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的。