磁性編碼器的工作原理

文章來源：http://www.ogmde.cn/  發布時間：2019/04/11    點擊數： 　　磁旋轉編碼器是一種以新型磁敏感元件為基礎的檢測裝置。盡管在目前市場上的編碼器中，光電編碼器占有很大的份額，但由于磁旋轉編碼器轉速高、易用性好、可高度抗震、易于調整和安裝維護，加上其成本低廉，因此成為了替代旋變的普通精度場合的一種較佳選擇。
　　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，旋轉時產生周期分布的空間漏磁場。磁傳感器探頭通過磁電阻效應將變化著的磁場信號轉化為電阻阻值的變化，在外加電勢的作用下，變化的電阻值轉化成電壓的變化，經過后續信號處理電路的處理，模擬的電壓信號轉化成計算機可以識別的數字信號，實現磁旋轉編碼器的編碼功能。
　　磁電阻效應是磁旋轉編碼器工作的基本物理機理。磁電阻效應廣泛存在于金屬和半導體中。其來源于通電導體或半導體內部載流子，因受到外部洛侖茲力的作用，使其運動軌跡發生偏轉或產生螺旋運動，從而導致物質內部的電位差發生變化。宏觀表現為隨著外磁場的變化，磁阻的阻值也發生相應的變化。
　　運用特點
　　優點：
　　1.易于小型化，價格低廉。
　　2.結構簡單，調試方便，安裝簡便。
　　3.線驅動輸出型，抗干擾能力強，適合長線輸出。
　　4.結構緊湊，轉速高，響應速度快,抗震動等級高。
　　5.元件可進行排列組合，構成新功能和多功能器件。

　　6.封閉結構，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個小磁極被磁化，這樣在磁鼓隨著電動機旋轉時，磁鼓能產生周期變化的空間漏磁，作用于磁電阻之上，實現編碼功能。磁鼓磁極的個數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構和輸出信號質量的重要參數。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，同時考慮到差動結構對敏感元件溫度特性的補償效應，一般在充磁間距λ內，刻蝕2個位相差為丌／2的條紋，構成半橋串聯網絡。如下圖：
　　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輸出相應正弦波。其原理可簡單解釋：磁鼓產生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。

　　信號處理電路：SinA，SinB信號到達信號處理電路后，為了能在cpu取樣的范圍內，需對波形進行調整。首先AB相信號需先做DC電壓準位調整，使AB相信號直流準位位于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相信號再經過模擬濾波器及數字濾波器，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換成方波后再進DSP。后者可能軟件處理起來更方便一些。
　　如果有機會拆開一只磁性旋轉編碼器，通常會看到類似上圖這樣的內部結構。與一般的編碼器（或Resolver）相比，磁性編碼器有著相同的機械軸與外殼結構，但同時其位置檢測機構卻又顯得非常簡單，僅僅是安裝在機械軸末端跟隨軸旋轉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量旋轉位置反饋的呢？
　　讓我們先來看一個經典的物理學（確切說是電磁學）現象。
　　如上圖所示，在扁平長方形導體兩端施加電壓，讓其在一個方向上（如長的方向）產生電流。
　　此時，如果在通電導體上再施加一個方向與導體平面垂直的磁場（如上圖所示），那么，導體上流動的電荷就會因為受到由磁場感應產生的洛倫茲力而發生流通路徑的偏移。
　　根據中學物理課學過的左手定則，可以判斷出電荷流動時偏移的方向，并且正負電荷在磁場中流通時偏移的方向是相反的。這就是說，當有電流流經磁場中的這個扁平導體時，其正負電荷會分別沿著左右兩條路徑從中穿過。
　　此時，在導體的兩側，也就是在其垂直于電流流過的方向上，就會有電勢差產生。
　　這就是霍爾效應（Hall Effect），是由一位名叫Edwin Herbert Hall的物理學家在1879年發現的。
　　接下來，如果讓施加在這個導體上的磁場以電流流經路徑為軸線，按照上圖箭頭所示的方向旋轉，那么這個霍爾電勢差就會因為磁場與導體之間角度的改變而發生變化，而這個電勢差的變化趨勢，與之前一文中次級線圈旋轉時的輸出電壓一樣，是一條正弦曲線。因此，基于這個通電導體兩側的電壓，就可以反推計算出磁場旋轉的角度了。
　　這就是磁性編碼器測量旋轉位置反饋時的基本工作機理了。
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