磁性編碼器的工作原理

文章來(lái)源：http://www.douyo.cn/  發(fā)布時(shí)間：2019/04/11    點(diǎn)擊數(shù)： 　　磁旋轉(zhuǎn)編碼器是一種以新型磁敏感元件為基礎(chǔ)的檢測(cè)裝置。盡管在目前市場(chǎng)上的編碼器中，光電編碼器占有很大的份額，但由于磁旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)速高、易用性好、可高度抗震、易于調(diào)整和安裝維護(hù)，加上其成本低廉，因此成為了替代旋變的普通精度場(chǎng)合的一種較佳選擇。
　　磁性編碼器的工作原理
　　磁性編碼器主要部分由磁阻傳感器、磁鼓、信號(hào)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(shí)產(chǎn)生周期分布的空間漏磁場(chǎng)。磁傳感器探頭通過(guò)磁電阻效應(yīng)將變化著的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，在外加電勢(shì)的作用下，變化的電阻值轉(zhuǎn)化成電壓的變化，經(jīng)過(guò)后續(xù)信號(hào)處理電路的處理，模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)磁旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼功能。
　　磁電阻效應(yīng)是磁旋轉(zhuǎn)編碼器工作的基本物理機(jī)理。磁電阻效應(yīng)廣泛存在于金屬和半導(dǎo)體中。其來(lái)源于通電導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部載流子，因受到外部洛侖茲力的作用，使其運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致物質(zhì)內(nèi)部的電位差發(fā)生變化。宏觀表現(xiàn)為隨著外磁場(chǎng)的變化，磁阻的阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化。
　　運(yùn)用特點(diǎn)
　　優(yōu)點(diǎn)：
　　1.易于小型化，價(jià)格低廉。
　　2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，安裝簡(jiǎn)便。
　　3.線驅(qū)動(dòng)輸出型，抗干擾能力強(qiáng)，適合長(zhǎng)線輸出。
　　4.結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)速高，響應(yīng)速度快,抗震動(dòng)等級(jí)高。
　　5.元件可進(jìn)行排列組合，構(gòu)成新功能和多功能器件。

　　6.封閉結(jié)構(gòu)，可防塵、防油，不易受外界污染的影響。

　　磁鼓充磁的目的是使磁鼓上的一個(gè)個(gè)小磁極被磁化，這樣在磁鼓隨著電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鼓能產(chǎn)生周期變化的空間漏磁，作用于磁電阻之上，實(shí)現(xiàn)編碼功能。磁鼓磁極的個(gè)數(shù)決定著編碼器的分辨率，磁鼓磁極的均勻性和剩磁強(qiáng)弱是決定編碼器結(jié)構(gòu)和輸出信號(hào)質(zhì)量的重要參數(shù)。下圖：磁鼓表面的磁極分布

　　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(qiáng)磁性磁阻器件。為了提高信號(hào)采樣的靈敏度，同時(shí)考慮到差動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)敏感元件溫度特性的補(bǔ)償效應(yīng)，一般在充磁間距λ內(nèi)，刻蝕2個(gè)位相差為丌／2的條紋，構(gòu)成半橋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如下圖：
　　同時(shí)，為了提高編碼器的分辨率，可以在磁頭上并列多個(gè)磁阻敏感元件，在加電壓的情況下，磁阻元件通過(guò)磁鼓旋轉(zhuǎn)輸出相應(yīng)正弦波。其原理可簡(jiǎn)單解釋：磁鼓產(chǎn)生NS的磁場(chǎng)作圓周運(yùn)動(dòng),磁阻元件做成的傳感器隨磁場(chǎng)變化電阻也隨之變化，并感測(cè)出SinA，SinB兩個(gè)電壓波形。磁阻傳感器的構(gòu)造如圖，由8個(gè)磁阻分為兩組相距1/4 NS間距。在Mr1，Mr2與Mr3，Mr4的接點(diǎn)處可檢出Sin電壓波形，同樣原理在Mr1‘，Mr2‘與Mr3‘，Mr4‘的接點(diǎn)處可檢出SinB電壓波形。

　　信號(hào)處理電路：SinA，SinB信號(hào)到達(dá)信號(hào)處理電路后，為了能在cpu取樣的范圍內(nèi)，需對(duì)波形進(jìn)行調(diào)整。首先AB相信號(hào)需先做DC電壓準(zhǔn)位調(diào)整，使AB相信號(hào)直流準(zhǔn)位位于DSP A/D取樣電壓范圍的中點(diǎn)，且振幅不超過(guò)取樣電壓范圍，AB相信號(hào)再經(jīng)過(guò)模擬濾波器及數(shù)字濾波器，將高頻及諧波濾除后，通過(guò)DSP高速運(yùn)算能力實(shí)時(shí)地將計(jì)算出位置和速度；另外還有一種處理方法是將SinA、SinB信號(hào)直接通過(guò)信號(hào)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(lái)更方便一些。
　　如果有機(jī)會(huì)拆開一只磁性旋轉(zhuǎn)編碼器，通常會(huì)看到類似上圖這樣的內(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(shí)其位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)卻又顯得非常簡(jiǎn)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。
　　那么，磁性編碼器是如何測(cè)量旋轉(zhuǎn)位置反饋的呢？
　　讓我們先來(lái)看一個(gè)經(jīng)典的物理學(xué)（確切說(shuō)是電磁學(xué)）現(xiàn)象。
　　如上圖所示，在扁平長(zhǎng)方形導(dǎo)體兩端施加電壓，讓其在一個(gè)方向上（如長(zhǎng)的方向）產(chǎn)生電流。
　　此時(shí)，如果在通電導(dǎo)體上再施加一個(gè)方向與導(dǎo)體平面垂直的磁場(chǎng)（如上圖所示），那么，導(dǎo)體上流動(dòng)的電荷就會(huì)因?yàn)槭艿接纱艌?chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的洛倫茲力而發(fā)生流通路徑的偏移。
　　根據(jù)中學(xué)物理課學(xué)過(guò)的左手定則，可以判斷出電荷流動(dòng)時(shí)偏移的方向，并且正負(fù)電荷在磁場(chǎng)中流通時(shí)偏移的方向是相反的。這就是說(shuō)，當(dāng)有電流流經(jīng)磁場(chǎng)中的這個(gè)扁平導(dǎo)體時(shí)，其正負(fù)電荷會(huì)分別沿著左右兩條路徑從中穿過(guò)。
　　此時(shí)，在導(dǎo)體的兩側(cè)，也就是在其垂直于電流流過(guò)的方向上，就會(huì)有電勢(shì)差產(chǎn)生。
　　這就是霍爾效應(yīng)（Hall Effect），是由一位名叫Edwin Herbert Hall的物理學(xué)家在1879年發(fā)現(xiàn)的。
　　接下來(lái)，如果讓施加在這個(gè)導(dǎo)體上的磁場(chǎng)以電流流經(jīng)路徑為軸線，按照上圖箭頭所示的方向旋轉(zhuǎn)，那么這個(gè)霍爾電勢(shì)差就會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)與導(dǎo)體之間角度的改變而發(fā)生變化，而這個(gè)電勢(shì)差的變化趨勢(shì)，與之前一文中次級(jí)線圈旋轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電壓一樣，是一條正弦曲線。因此，基于這個(gè)通電導(dǎo)體兩側(cè)的電壓，就可以反推計(jì)算出磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的角度了。
　　這就是磁性編碼器測(cè)量旋轉(zhuǎn)位置反饋時(shí)的基本工作機(jī)理了。
　　開地電子專業(yè)生產(chǎn)磁電編碼器的生產(chǎn)廠家,開地電子的磁電編碼器性能不易受塵埃和結(jié)露的影響；其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，無(wú)觸點(diǎn)、長(zhǎng)壽命、耐高低溫、抗振動(dòng)、響應(yīng)速度快且成本較低，可替換國(guó)內(nèi)外品牌旋轉(zhuǎn)編碼器,可定制增量型磁電編碼器或絕對(duì)值編碼器,精度尺寸均可按客戶的需求來(lái)定制,找磁電編碼器廠家就找開地電子。