磁性編碼器的工作原理及特點(diǎn)

磁旋轉(zhuǎn)編碼器是一種基于新型磁敏感元件的檢測(cè)裝置。盡管市場(chǎng)上光電編碼器很常見(jiàn)，但磁旋轉(zhuǎn)編碼器憑借其轉(zhuǎn)速高、易用性好、抗震性強(qiáng)、易于調(diào)整和安裝維護(hù)，以及成本低廉等優(yōu)勢(shì)，成為了普通精度應(yīng)用場(chǎng)合的理想選擇。

磁性編碼器的工作原理

磁性編碼器主要由磁阻傳感器、磁鼓和信號(hào)處理電路組成。磁鼓上刻有等間距的小磁極，當(dāng)磁鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周期分布的空間磁場(chǎng)。磁阻傳感器通過(guò)磁電阻效應(yīng)，將這些變化的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，進(jìn)而在外加電勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)化為電壓的變化。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路的處理，這些模擬電壓信號(hào)被轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了編碼功能。


磁性編碼器主要由磁阻傳感器、磁鼓和信號(hào)處理電路組成示意圖

磁電阻效應(yīng)

磁電阻效應(yīng)是磁旋轉(zhuǎn)編碼器工作的基本物理機(jī)理。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)通電導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外部磁場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部的載流子會(huì)受到洛倫茲力的作用，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，進(jìn)而引起物質(zhì)內(nèi)部的電位差發(fā)生變化。這種變化宏觀上表現(xiàn)為磁阻阻值隨外部磁場(chǎng)的變化而變化。

磁性編碼器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

易于小型化，價(jià)格低廉。
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試、安裝簡(jiǎn)便。
抗干擾能力強(qiáng)，適合長(zhǎng)線輸出。
結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)速高，響應(yīng)速度快，抗震動(dòng)等級(jí)高。
元件可排列組合，實(shí)現(xiàn)新功能和多功能。
封閉結(jié)構(gòu)，防塵、防油，不易受外界污染影響。
磁鼓與磁阻傳感器


圖為磁性編碼品的磁鼓表面的磁極分布圖

磁鼓的充磁是為了使磁鼓上的小磁極被磁化。當(dāng)磁鼓隨著電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周期變化的空間磁場(chǎng)，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)決定了編碼器的分辨率，而磁鼓磁極的均勻性和剩磁強(qiáng)弱則是影響編碼器結(jié)構(gòu)和輸出信號(hào)質(zhì)量的重要參數(shù)。


圖為磁阻傳感器構(gòu)成半橋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)示意圖

磁阻傳感器由磁阻敏感元件制成，為了提高信號(hào)采樣的靈敏度，通常會(huì)在充磁間距內(nèi)刻蝕兩個(gè)位相差為π/2的條紋，構(gòu)成半橋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。為了提高編碼器的分辨率，還可以在磁頭上并列多個(gè)磁阻敏感元件，通過(guò)磁鼓的旋轉(zhuǎn)輸出相應(yīng)的正弦波信號(hào)。

磁阻元件構(gòu)成的磁阻傳感器等效圖


從磁阻傳感器輸出的兩路波形

信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路負(fù)責(zé)將磁阻傳感器輸出的正弦波信號(hào)（如SinA、SinB）進(jìn)行處理，以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)位置和速度。通常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行DC電壓準(zhǔn)位調(diào)整、模擬濾波、數(shù)字濾波等處理，以確保信號(hào)在CPU取樣的范圍內(nèi)。另外，還可以將正弦波信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)再進(jìn)行處理，這樣可能更方便軟件處理。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

磁性旋轉(zhuǎn)編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

拆開(kāi)磁性旋轉(zhuǎn)編碼器，你會(huì)看到它由一個(gè)跟隨軸旋轉(zhuǎn)的小磁鐵和一個(gè)PCB線路板組成。這個(gè)小磁鐵就是磁鼓，而PCB線路板上則安裝了磁阻傳感器和信號(hào)處理電路。當(dāng)磁鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁阻傳感器會(huì)檢測(cè)到磁場(chǎng)的變化，并將這些變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出給信號(hào)處理電路進(jìn)行處理。

磁電阻效應(yīng)，這是磁旋轉(zhuǎn)編碼器工作的一個(gè)基本物理原理。說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn)兒，就是當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，如果外部有磁場(chǎng)，那導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部的電荷就會(huì)受到一個(gè)叫洛倫茲力的東西的作用，這會(huì)使得它們的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化。而這種變化，會(huì)讓物質(zhì)內(nèi)部的電位差也跟著變。所以，從宏觀上看，就是磁阻的阻值會(huì)隨著外部磁場(chǎng)的變化而變化。這就是磁電阻效應(yīng)的基本原理。

那么，磁性編碼器是如何測(cè)量旋轉(zhuǎn)位置反饋的呢？

首先，我們來(lái)了解一個(gè)基礎(chǔ)的電磁學(xué)現(xiàn)象。


一個(gè)經(jīng)典的物理學(xué)（確切說(shuō)是電磁學(xué)）現(xiàn)象示意圖

想象一下，有一個(gè)扁平的長(zhǎng)方形導(dǎo)體，我們?cè)谒膬啥私o它加上電壓，這樣電流就會(huì)在它里面流動(dòng)，比如沿著長(zhǎng)的方向。


磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的洛倫茲力而發(fā)生流通路徑示意圖

現(xiàn)在，如果我們?cè)俳o這個(gè)通電的導(dǎo)體加上一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的方向是與導(dǎo)體平面垂直的。這時(shí)，導(dǎo)體上的電荷會(huì)受到磁場(chǎng)的影響，導(dǎo)致它們的流動(dòng)路徑發(fā)生變化，也就是“跑偏”了。


磁場(chǎng)中的電荷流動(dòng)方向示意圖

根據(jù)我們中學(xué)學(xué)到的左手定則，我們可以知道電荷“跑偏”的方向。而且，正電荷和負(fù)電荷在磁場(chǎng)中“跑偏”的方向是相反的。所以，當(dāng)電流通過(guò)這個(gè)處在磁場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)，正負(fù)電荷會(huì)分別沿著不同的路徑流過(guò)。


霍爾效應(yīng)示意圖

這時(shí)，在導(dǎo)體的兩側(cè)，也就是與電流流動(dòng)方向垂直的地方，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差。

這就是霍爾效應(yīng)，是一個(gè)名叫Edwin Herbert Hall的物理學(xué)家在1879年發(fā)現(xiàn)的。


磁場(chǎng)繞著電流流動(dòng)的方向旋轉(zhuǎn)示意圖

接下來(lái)，如果我們讓這個(gè)磁場(chǎng)繞著電流流動(dòng)的方向旋轉(zhuǎn)，就像上面圖中的箭頭所示，那么霍爾電勢(shì)差就會(huì)隨著磁場(chǎng)與導(dǎo)體之間角度的變化而變化。這個(gè)電勢(shì)差的變化趨勢(shì)，其實(shí)和之前說(shuō)的線圈旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出的電壓變化很像，都是一條正弦曲線。

基于這個(gè)電勢(shì)差的變化，我們就可以反推出磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的角度，從而知道旋轉(zhuǎn)的位置。

這就是磁性編碼器測(cè)量旋轉(zhuǎn)位置反饋的基本原理啦！磁性編碼器通過(guò)磁電阻效應(yīng)和信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋轉(zhuǎn)位置的精確測(cè)量和編碼功能。它以其獨(dú)特的工作原理和優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。


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