磁編碼器的安裝與調整技術研究

周鳳坤+++張大龍

摘 要：文章主要介紹了磁編碼器的工作原理及一臺使用德國Lenord+Bauer公司生產的MiniCode GEL2443系列的小型磁編碼器的電主軸編碼器調式技術規范的探索，經過研究總結了一套適合此系列的磁編碼器的安裝調試方法，通過編碼器的相關信號對編碼器和齒輪盤的相對位置進行了調整，提高了磁編碼器的輸出信號強度及檢測精度。

關鍵詞：磁編碼器；信號強度；MiniCode GEL2443；安裝調試

1 概述

在現代化自動控制領域中，編碼器廣泛應用于旋轉部件上，用于精確獲得旋轉部件的精確位置信息。通常情況下為獲取旋轉部件的位置及速度信息，一般使用光電編碼器、旋轉變壓器等類型的角度傳感器。然而旋轉變壓器體積較大、精度不高，光電編碼器不能耐受較大強度振動，工作環境受到一定限制[1]。磁編碼器是一種新型磁敏感元件為基礎的檢測裝置[2]，相對于光電編碼器，磁旋轉編碼器具有體積小、轉速高、成本低，而且不易受油污、水汽等外界污染的影響、抗干擾能力強、具備優異的抗沖擊振動的特點，因此近年來在工業生產尤其是在自動化控制方面的應用不斷增加[3]。

2 磁編碼器的原理

磁編碼器是一類新型的角度或位移檢測傳感器，其工作原理是采用磁阻或霍爾元件，對角度或者位移變化的磁性實體進行測量[4]。磁編碼器中導磁器件代替了傳統的碼盤，編碼器上的永磁體會將旋轉的齒輪盤的磁化，當磁化的齒輪盤隨著旋轉部件旋轉時，齒輪盤會產生周期性變化的空間漏磁，漏磁直接作用于磁電阻之上，使其內部的載流子因受到洛侖茲力的作用后運動軌跡發生偏轉或產生螺旋運動，從而導致磁感應元件內部的電位差發生變化。宏觀的表現為編碼器感應元件的磁阻的阻值隨著外磁場的變化而變化。磁電阻效應是磁旋轉編碼器工作的基本物理原理，充磁磁極的個數即齒輪盤的齒數決定了編碼器的分辨率，充磁磁極的均勻性和剩磁強弱決定了編碼器結構和輸出信號質量[5]。

3 編碼器的安裝與調整

MiniCode對于實現狹小空間旋轉運動的齒輪、電機、高速電主軸的非接觸式測量提供了技術解決方案，與其配合使用的是一個高精度的齒輪盤，齒的模數為0.3mm或0.5mm，磁編碼器輸出信號為兩路正弦信號，相位相差90度，頻率范圍為0～200kHz，編碼器線纜最大長度為100m，工作電壓為5V，原點的檢測形式為凹槽，為了齒輪盤高速旋轉時有良好的動平衡，減小離心力造成的偏擺，應該在齒輪盤對稱的位置打孔。

編碼器共有6路信號輸出，其中可以分為3對，分別為U1、U2和UN，在進行轉速或位置測量時，為增強號強度，提高抗干擾能力，將腳標為正的信號與腳標為負的信號進行減法運算。當齒輪盤順時針旋轉時，U1的相位超前于U290度，逆時針旋轉時，U2的相位超前于U190度，編碼器每轉一圈有一個UN脈沖輸出。

編碼器信號輸出插頭為標準插頭，通過轉接可以與常用的主軸驅動相連，兼容性很好，插頭接線方式如圖1所示，圖中插頭的引腳序號與表1中的引腳序號相對應，8、9引腳為溫度傳感器的接線引腳，即溫度傳感器的信號通過8、9引腳輸入到伺服模塊中。

在表2所列尺寸中，d為最重要的尺寸，此參數若偏大，輸出信號幅值降低，影響速度及位置檢測精度，若d偏小，由于齒輪盤制造精度的限制，在高速旋轉的情況下，很容易在離心力的作用下發生偏擺，出現齒輪盤將編碼器表面刮傷的情況，造成編碼器不可修復的損壞，表中給出的推薦值可以使兩方面的影響得到均衡，使編碼器穩定、無故障地工作更長時間。

編碼器調整時應先需根據齒輪盤齒的模數選擇塞尺，若模數為0.3mm應使用0.15mm的塞尺，模數為0.5mm應使用0.20mm的塞尺。首先將編碼器固定到安裝位置，不帶緊螺釘，然后將相應的塞尺放到齒輪盤的齒頂與編碼器的中間，使三者貼緊并盡量保證編碼器的對稱線經過齒輪盤的圓心，即編碼器對稱線與齒輪盤的對稱線重合，然后用扭矩扳手帶緊螺釘，最大扭矩為60Ncm，螺釘擰緊后將塞尺抽出，再使用專用的電子設備對編碼器的位置進行精調。

編碼器的檢測設備為Lenord+Bauer公司生產的便攜式手持檢測儀器，型號為GEL 210Y005，通過對U1、U2和UN相關信號的檢測，可以精確調整磁編碼器相對于齒輪盤的幾何安裝位置。首先制作編碼器的轉接頭，導線的連接方式如表1所示，轉接頭制作完成后，將磁編碼器與檢測儀器連接，通過檢測儀器左側的開關切換檢測項目，然后手動盤主軸，檢測儀器上會顯示相關檢測項目的數值，根據數值的大小可以判斷出幾何位置偏差，然后手動向偏差減小的方向微調，再次進行測量，經過反復調整后使測量數值在允許的范圍內。

氣隙是磁編碼器調整的一個重要參數，其直接影響信號幅值的大小，信號幅值與磁編碼器檢測表面區域的磁場強度成正比，而磁場強度與磁編碼器距齒輪盤的距離成反比。Amplitude Spur A/B、Peak Refernezspur 分別表示信號U1/U2、參考點信號的幅值，通常檢測數值在AC 290～400mV范圍內，表示氣隙范圍滿足要求，如圖3所示。

信號基準偏移調整應在氣隙調整完成之后進行，Offset Spur A、Offset Spur B和Offset Referenzspur分別代表U1、U2和UN的信號基準偏移。從圖4中可以看出磁編碼器安裝時出現了偏轉，這種位置安裝誤差主要影響正負信號合成后信號波形整體沿縱向移動的距離，合成信號可以用公式y=Asinx+c表示，其中c值大小代表信號偏移的距離，通常c在DC±20mV范圍內滿足安裝要求，出現這種現象的主要原因是編碼器位置偏轉后靠近齒形盤的一端信號幅值偏大，導致合成的信號基準出現偏移，基準偏移后U1、U2的最大值也發生了變化，要U1與U2的比值在0.9至1.1之間編碼器才能正常工作。

4 結束語

本文主要對磁編碼器的安裝調試技術進行了研究，從磁編碼器的工作原理入手，分析了幾何位置誤差對磁編碼器檢測信號的影響，詳細地介紹了一種磁編碼器安裝調整的方法，經實踐此種方法實際可行，達到了預期的調整效果，對于此類磁編碼器的更換、調整具有重要的借鑒意義。

參考文獻

[1]Sawada R，TanakaH，OhguchO，etal. Fabrication of active integrated optical micro-encoder[C].Proceedings of IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems.Japan：IEEE，1991：233-238.

[2]吳昊.基于巨磁效應的磁編碼器研究[D].哈爾濱工業大學，2010.

[3]吳紅梅，蔣水秀.基于AS5045的磁旋轉編碼器的研究和應用[J].計算機光盤軟件與應用，2012（7）：57-58.

[4]曲家騏， 王季秩.伺服系統中的編碼器[M].機械工業出版社，1998.

[5]周超.磁編碼器與檢測儀的原理和應用[J].自動化與儀器儀表，2013（2）：124-125.