磁编码器原理与方案


磁编码器为近些年应用越来越广的编码器,其拥有多种测量原理与方案,以下主要论述市场现有的技术方案。

磁编码器

磁编码器的动件是磁性物质,其载体可以是铁氧体、钕铁硼、钐钴等磁性材料。


而在介绍磁编码器用磁铁之前,需要提到的是:磁铁的图案充磁。日常我们见到的磁铁往往是拥有一个N极与S极的,其是使用最基础的充磁方案制作出来的,而在更多复杂的应用中,为了得到更高的性能,磁铁常常拥有更复杂的充磁图形。如下列出一些形态各异的充磁图形,其是由磁粉制作成磁载体后,使用定制图形的充磁夹具对其进行充磁。

如下面各异的图形充磁:


而对于编码器来说,其为精确反馈位置的装置,所以它的图案一般拥有特殊的数据格式,如下面这几个编码器用的:


多极磁编

下图为128极平面充磁的磁环磁场分布图,与该磁环的充磁原理图:


由于其为平面充磁,磁场的主要回路方向为该图垂直方向,所以我们将一线性霍尔芯片放于磁环平面上,当其绕法向中心旋转时,则可以从霍尔中得到以下波形:


128极,则为64对NS极,会产生64个弦波周期,则在旋转编码器中,其旋转一周只能得到相对的角度变化,这样的磁编码器主要用于增量编码器,无法得到一圈中的绝对位置数据。

在运动的过程中,与传统编码器一样,为了得到运行的方向,则需要产生一个相位差90˚的波形,则只需在上一线性霍尔磁位角90度方向上再放置一颗线性霍尔即可。

绝对值磁编

    而为了得到绝对角度数据,则需改进编码器原理,主要有以下方法:
  • 单对极磁铁
  • 磁游标细分
  • 磁刻线细分

单极对磁编

单对极磁铁,则是拥有一对NS极的磁铁,与上面128极的磁环不同,其产生的磁场只拥有一个周期,当我们使用两个线性霍尔来读取时,两个线性霍尔放置相差90˚,与磁环的磁位角90˚对齐,如下图,其磁场旋转强度变化如下:


下图为两个霍尔测到的表磁大小:

而两个霍尔分别得到了一个周期的磁场强度波形,而两个正交的波形则可以使用arctan(y1,y2)来得到其于360˚中的唯一对应值,则在使用过程过,得到某一刻的y1,y2值,通过计算出该值以对应当前磁环所在的角度。

磁游标编码器

单对极磁编码器其物理精度有限,当需要更高精度时,则需要进行物理继分,如上面128极磁环那样,但如果只是有128极,是没法得到一圈中的绝对角度的,这时,游标方案则可以在实现更高分辨率的同时实现绝对角度的测量。


游标方案使用两条磁码道进行测量,每条码道由多个NS极充磁组成,则在每一对NS产生的磁场上,我们可以通过单对极的同样原理得到该对极角度范围内的绝对定位,但是如何定位全局角度定位呢,奥秘就在于内外圈NS极对数的数量。

图中的外圈由32对磁极组成,内圈由31对磁极组成,在每一个径向方向上,其内外圈的磁感应强度差都都是不同的,而正是这个差值,使得了成为定位圆周位置的数据来源。

对于单对极来讲,游标方案拥有更高的物理精度与分辨率。

磁刻线编码器

图为磁刻线环的一部分


磁刻线则是使用了相比游标更精密的方案,其将磁铁充磁为很多条细线,而细线的宽度均不同,以NS代表产生的磁场磁化方向代表0、1,该编码是一种头尾相连的编码方式,一定宽度内可以得到不同的编码,其需要大量而密集的霍尔对磁线进行读取,得到当前的编码器的粗绝对位置,如上面的游标中粗分为32份一样,再根据区域内的磁场总失量来得到更为精细的物理角度。

磁编码器优点

磁编码器为非接触式的测量,其可以达到很多其它编码器不能达到的效果。如高抗震能力、耐污浊、装配要求低、高转速等,甚至可以做到完全防水、以及酸碱溶液里正常工作。

磁编码器现已在更多领域,如交通装备、水下环境、无人机、生物医疗等对环境、体积有要求的场所,磁编码器最小可以做到小于10mm的直径,且能达到其它编码器这个尺寸远不能及的分辨率。

磁编码器选择

    根据您的应用场景和要求来选择适合您的磁编码器方案:
  • 当需要绝对定位高精度(16bit以上)时,您可选择磁游标或磁刻线方案
  • 需要绝对定位且于恶劣、复杂的工况下,选用单对极方案
  • 需要增量且精度极高时,选用多对极方案
  • 需要增量于普通工况时,选用单对极方案

而其成本的控制,也是根据需要场景的精度要求来划分,金钢科技做为磁编码器定制专家,为您提供更专业的技术支持。