磁性編碼器的工作原理及特點

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

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，會產(chǎn)生周期分布的空間磁場。磁阻傳感器通過磁電阻效應(yīng)，將這些變化的磁場信號轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，進(jìn)而在外加電勢的作用下，轉(zhuǎn)化為電壓的變化。經(jīng)過信號處理電路的處理，這些模擬電壓信號被轉(zhuǎn)化為計算機可以識別的數(shù)字信號，從而實現(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理。簡單來說，當(dāng)通電導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外部磁場的作用下，其內(nèi)部的載流子會受到洛倫茲力的作用，導(dǎo)致其運動軌跡發(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的變化而變化。

磁性編碼器具有以下優(yōu)點：

易于小型化，價格低廉。
結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試、安裝簡便。
抗干擾能力強，適合長線輸出。
結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)速高，響應(yīng)速度快，抗震動等級高。
元件可排列組合，實現(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)磁鼓隨著電動機旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生周期變化的空間磁場，作用于磁電阻之上，實現(xiàn)編碼功能。磁鼓磁極的個數(shù)決定了編碼器的分辨率，而磁鼓磁極的均勻性和剩磁強弱則是影響編碼器結(jié)構(gòu)和輸出信號質(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，為了提高信號采樣的靈敏度，通常會在充磁間距內(nèi)刻蝕兩個位相差為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磁阻敏感元件，通過磁鼓的旋轉(zhuǎn)輸出相應(yīng)的正弦波信號。

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

信號處理電路

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

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

磁電阻效應(yīng)，這是磁旋轉(zhuǎn)編碼器工作的一個基本物理原理。說簡單點兒，就是當(dāng)電流通過導(dǎo)體或半導(dǎo)體時，如果外部有磁場，那導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部的電荷就會受到一個叫洛倫茲力的東西的作用，這會使得它們的運動軌跡發(fā)生變化。而這種變化，會讓物質(zhì)內(nèi)部的電位差也跟著變。所以，從宏觀上看，就是磁阻的阻值會隨著外部磁場的變化而變化。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量旋轉(zhuǎn)位置反饋的呢？

首先，我們來了解一個基礎(chǔ)的電磁學(xué)現(xiàn)象。


一個經(jīng)典的物理學(xué)（確切說是電磁學(xué)）現(xiàn)象示意圖

想象一下，有一個扁平的長方形導(dǎo)體，我們在它的兩端給它加上電壓，這樣電流就會在它里面流動，比如沿著長的方向。


磁場感應(yīng)產(chǎn)生的洛倫茲力而發(fā)生流通路徑示意圖

現(xiàn)在，如果我們再給這個通電的導(dǎo)體加上一個磁場，這個磁場的方向是與導(dǎo)體平面垂直的。這時，導(dǎo)體上的電荷會受到磁場的影響，導(dǎo)致它們的流動路徑發(fā)生變化，也就是“跑偏”了。


磁場中的電荷流動方向示意圖

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)電荷在磁場中“跑偏”的方向是相反的。所以，當(dāng)電流通過這個處在磁場中的導(dǎo)體時，正負(fù)電荷會分別沿著不同的路徑流過。


霍爾效應(yīng)示意圖

這時，在導(dǎo)體的兩側(cè)，也就是與電流流動方向垂直的地方，會產(chǎn)生一個電勢差。

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


磁場繞著電流流動的方向旋轉(zhuǎn)示意圖

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

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

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


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