磁編碼器技術現狀及發展研究

梁芳萍，曹廣忠，趙 磊，孫俊締，胡 勇，王 蕓

(1.深圳大學機電與控制工程學院，廣東省電磁控制與智能機器人重點實驗室，廣東 深圳 518060；2.深圳市四方電氣技術有限公司，廣東 深圳 518126)

0 引言

編碼器、計算機技術和數字信號處理技術相結合，可將機械運動中的位移、速度、加速度等物理量轉變為數字電信號，從而快速、及時、精確地實現位置檢測與伺服控制[1]。

按照工作原理，可以將編碼器分為3類[2-3]：基于電磁式變壓原理的旋轉變壓器、基于光電轉換原理的光電編碼器[4-5]以及基于磁敏感元件感應磁場變化原理的磁編碼器。其中，旋轉變壓器對環境的適應性好、抗干擾能力強[6]，常用于惡劣的工作環境中。但由于旋轉變壓器體積較大、檢測精度較低，無法適用于對體積、精度要求較高的場合。光電編碼器的檢測精度高，占據著位置傳感器市場的主導地位[7]。但由于其光學結構抗沖擊、抗腐蝕能力差，對工作環境要求高，難以在潮濕、粉塵以及振動等惡劣環境中工作，適用范圍受限。此外，光電編碼器的結構較為復雜，對工裝要求高，且成本較高[8-9]。

為了實現編碼器的低成本、高可靠性、高分辨率和小型化，磁編碼器應運而生[10]。磁編碼器是一類新型的位置檢測傳感器，利用磁敏感元件感應磁極運動產生的磁場變化而產生的磁電阻效應，測量運動物體的位移變化[11]。磁編碼器結構簡單、緊湊，具有抗干擾能力強、響應速度快、體積小和成本低等特點[12-13]。在高精度測量和控制領域中，磁編碼器已經成為不可或缺的部分，被廣泛應用于軍事、機電、信息、航空、建筑、醫療等領域[14-15]。

本文研究了磁編碼器的工作原理與分類，對比了磁編碼器的三種位置解算方法，討論了磁編碼器的誤差處理技術，分析了國內外磁編碼器產品，并展望了磁編碼器的發展趨勢。

1 磁編碼器工作原理

磁編碼器使用充磁磁極代替光電編碼器的光學碼盤，將磁極與被檢測對象連接起來。當磁極隨著被檢測對象運動時，磁極產生周期性變化的空間磁場。該磁場作用于磁敏感元件上，使元件內部的電勢差或電阻值發生變化，輸出相應的電信號，反映被檢測對象的位置、速度和加速度等運動信息。

磁極充磁的均勻性、不同軌道數的磁極、磁極對數等[16]因素決定了磁編碼器的精度、分辨率等性能指標。磁極充磁方向可分為徑向和軸向，對應的磁敏感元件安裝位置不同。磁極的軸向充磁結構如圖1所示。磁極的徑向充磁結構如圖2所示。

圖1 磁極的軸向充磁結構

圖2 磁極的徑向充磁結構

2 磁編碼器分類

磁敏感元件分為磁阻元件和霍爾元件。根據使用的磁敏感元件不同，磁編碼器可分為磁敏電阻式磁編碼器和霍爾式磁編碼器[17]。

2.1 磁敏電阻式磁編碼器

磁敏電阻式磁編碼器又稱為磁阻式磁編碼器，根據磁阻元件在不同的磁場強度下產生的磁阻效應，即元件電阻值隨磁場變化而變化的特性來檢測位置信息[17]。磁阻式磁編碼器結構如圖3所示。

圖3 磁阻式磁編碼器結構

圖3中，多極磁化磁極為徑向充磁，與伺服電機的凸軸相連，工作時隨伺服電機轉動；磁阻元件安裝在磁極的徑向方向，隨著感應磁場的變化，元件的電阻值發生變化，信號處理電路輸出電壓隨之變化。

磁阻式磁編碼器具有靈敏度高、溫度特性良好、可檢測空間磁場范圍廣等優點，作為傳統磁編碼器的主要代表，已被廣泛應用于工程技術相關的多個領域。雖然磁阻式磁編碼器的技術發展相對成熟，但由于制造工藝復雜、成本較高，限制了它在工業領域更大范圍的應用。

2.2 霍爾式磁編碼器

霍爾式磁編碼器以霍爾元件為磁敏感元件[18]，通過感應隨被檢測對象運動而變化的磁場，產生霍爾效應，即利用霍爾元件隨磁場變化產生電勢差的特性來檢測位置信息。霍爾式磁編碼器結構如圖4所示。

圖4 霍爾式磁編碼器結構

圖4中，單極磁化磁極為軸向充磁，與凸軸相連，工作時隨被檢測對象轉動。霍爾元件組件安裝在磁極的軸向方向，隨著感應磁場的變化，元件的電壓值發生變化。近年來，霍爾式磁編碼器因其結構簡單、體積小和生產成本低等特點而越發受到人們關注。

3 磁編碼器的三種位置解算方法

從磁敏感元件檢測到的磁場信號中解算出位置信息，是磁編碼器的關鍵技術問題[11,17,19]。目前，磁編碼器位置解算方法主要分為三種：標定查表法、反正切法、鎖相環法。

磁編碼器的理想輸出信號為兩路正交的正、余弦信號[20]，如圖5所示。

圖5 磁編碼器的理想輸出信號

針對磁編碼器輸出信號，下面分別分析三種位置解算方法的解算原理，并對比其優缺點。

3.1 標定查表法

標定查表法[21]使用高精度的軸角傳感器對磁編碼器輸出的電壓信號與電機運動角度進行標定，并把角度數據存儲在可擦除、可編程的存儲器中。工作過程中，根據磁編碼器輸出的電壓信號分區間查表，即可得到電機旋轉的角度值。

3.2 反正切法

磁編碼器的輸出信號可表示為正弦、余弦函數，如式(1)所示。

(1)

式中：Um為輸出電壓的幅值；θ為被檢測對象運動的角位移；UA與UB為磁敏感元件的輸出電壓。

利用反正切函數即可求取輸出信號所對應的角度值，如式(2)所示。

(2)

反正切法[22]能在較短的計算時間內解算磁編碼器的輸出信號。但反正切法是一種開環的位置解算方法，受誤差影響較大，會嚴重影響檢測輸出精度。一般將此方法用于理想情況，以驗證結果。

3.3 鎖相環法

鎖相環法是一種閉環的位置解算方法[23-24]。鎖相環的輸入信號為磁編碼器的兩路輸出信號。鑒相器將鎖相環的輸入與輸出信號進行相位比較；環路濾波器濾除相位差中的噪聲和高頻分量；最后根據相位差調整壓控振蕩器的輸出相位。當環路中相位鎖定時，輸入信號與輸出信號的相差為0，即壓控振蕩器的輸出相位跟蹤輸入信號的相位，以此實現精確的位置解算。鎖相環法原理如圖6所示。

圖6 鎖相環法原理

圖6中，將磁編碼器檢測輸出的sinθ、cosθ作為鎖相環的輸入信號，與輸出反饋的兩路信號通過相乘器、減法器進行相位比較，得到誤差δ，如式(3)所示。

sinθcosφ-cosθsinφ=sin(θ-φ)=sinδ

(3)

誤差δ經過環路濾波器與壓控振蕩器后，輸出角度估計值φ。

綜上所述，三種位置解算方法的對比分析如表1所示。

表1 三種位置解算方法的對比分析

由表1可知，鎖相環法具有較高的抗干擾能力和高精度的解算能力，是目前磁編碼器位置解算的關鍵方法。

4 磁編碼器的誤差處理技術

受到磁極極數、軌道數、磁敏感元件的安裝偏差等因素[25-26]影響，磁編碼器的輸出信號中通常存在諧波失真、幅值偏差、相位偏移以及隨機噪聲[16,19,27]，會引起磁編碼器的位置檢測誤差。因此，對磁編碼器的誤差進行處理，以提高檢測精度，是磁編碼器的重點研究內容。

4.1 諧波失真的誤差處理技術

磁編碼器應用于實際的工業控制系統時，在信號檢測與采集的過程中，不可避免地受到來自實際環境的諧波干擾，如磁場、電路系統以及空氣中大量的1次、2次、多次諧波等，造成磁編碼器輸出信號的諧波失真。對此，可使用濾波和補償的方法對諧波失真進行處理。

文獻[28]首次提出基于兩級的雙層徑向基函數(radical basis function，RBF)神經網絡對正交信號進行在線自適應校正和插值處理，以提高磁編碼器的分辨率。第一級RBF用于自適應校正編碼器信號中的均值、波形失真等缺陷。第二級RBF作為推理機，自適應地映射正交的磁編碼器信號到更高階正弦波，對諧波失真進行處理。但是，這種方法的處理精度會受到磁編碼器制造技術的限制。

文獻[29]提出了1種新型的霍爾式磁編碼器：使用3個或6個霍爾傳感器，構成等邊三角形，可消減3次和3的倍數次諧波。偶數次諧波則通過1組互補的霍爾傳感器來處理，從而達到消減諧波失真、提高磁編碼器精度的效果。

文獻[30]提出了雙鎖相環法，對局部非理想性誤差進行了研究和補償，利用鎖相環良好的魯棒性和環路濾波器處理諧波失真。但該方法無法同時處理隨機噪聲的干擾，其處理輸出只能近似于真實值。

文獻[31]提出一種雙磁道多極游標絕對磁編碼器。首先，利用鎖相環來估計相位，處理非理想性誤差。然后，利用非線性相位補償來矯正因諧波存在而偏離的游標。最后，利用極距補償來調節鎖相環的主相角，進而消減諧波失真。

4.2 幅值偏差與相位偏移的誤差處理技術

由于磁敏感元件之間安裝的誤差，如2個霍爾元件之間沒有嚴格進行正交安裝，極易造成相位偏移。此外，磁敏感元件與磁極之間的安裝偏差，如安裝的平行偏移會造成幅值偏差。這2種偏差可通過濾波的方法進行處理。

文獻[32]提出1種基于優化理論的編碼補償器，用于校正磁編碼器輸出的非理想信號，能有效消減輸出信號中的幅值偏差和相位偏移。但該方法建立在查表的基礎上，需要耗費大量的存儲單元。

文獻[33]提出了自校正和自適應帶寬鎖相環算法，利用自適應帶寬鎖相環算法對系統的相位進行平滑估計。自適應帶寬鎖相環算法根據相位檢測器的相位誤差對濾波器的參數進行適當調整，從而消減幅值偏差和相位偏移。

文獻[34]提出了1種基于三階鎖相環的自適應線性神經元法。該鎖相環具有魯棒濾波功能，能夠消減干擾、消減幅值偏差和相位偏移，從而提高磁編碼器的精度。

4.3 隨機噪聲的誤差處理技術

在磁編碼器實際工作過程中，隨機噪聲的產生與影響不可避免。隨機噪聲可能引起諧波失真，直接影響輸出信號的準確性，使得檢測精度降低。對此，可采用濾波和補償的方法進行處理。

文獻[33]提出了自校正和自適應帶寬鎖相環算法，自動校準和降噪，對輸出位置進行精確估計，增加輸入信號的頻率以提高分辨率。

文獻[34]提出了基于三階鎖相環的自適應線性神經元法，利用鎖相環的魯棒濾波功能，消減頻率斜坡段的噪聲和直流誤差，對磁編碼器的輸出信號進行補償，從而提高磁編碼器的精度。

文獻[35]采用自適應線性神經網絡與模糊鎖相環結合，對鎖相環的帶寬進行調整、優化鎖相環捕獲時間并增強對噪聲的抑制，進而消減輸出信號中的隨機噪聲，有效減小了非理想性誤差的影響，提高了磁編碼器的精度。

文獻[36]提出了1種補償隨機噪聲的先進性自適應數字鎖相環算法，利用鎖相環的魯棒濾波特性，可以有效消減噪聲，提高磁編碼器的精度。它還采用了高速的信號跟蹤，沒有時間延遲。該算法有效減少了計算的負擔，使其易于在低成本處理器中實現。

從諸多研究中不難發現，大多數學者偏向于利用鎖相環算法及其改進算法來進行磁編碼器的位置解算和誤差處理，并且改進的鎖相環算法能消減大多數誤差，是磁編碼器誤差處理的主要方法。但是無論哪一種誤差處理方法都不能很好地對所有誤差進行消減，總有1～2種誤差無法兼顧處理。

5 國內外磁編碼器產品對比分析

磁編碼器是隨著光電編碼器一起發展的一類傳感器[37]，由于抗干擾能力強、體積小等優點，逐漸成為研究的重點。磁編碼器的性能指標有分辨率、精度、靈敏度、最大旋轉速度、最大角加速度、通信速度、工作電流和可檢測的磁場范圍等。分辨率決定了磁編碼器可測量的最小角度[38]，是磁編碼器的關鍵指標之一。但與光電編碼器相比，磁編碼器的分辨率仍處于較低的水平，尚不能滿足高端場景需求。因此，提高分辨率是國內外研究與產品技術攻關的重點。

目前，主要有德國、英國、美國、中國和日本等國家對磁編碼器進行研究、設計和制造。傳統的磁編碼器多數是體積小、分辨率低、價格低的產品。雖然近年來已有較高分辨率的磁編碼器被開發，但其分辨率仍不能滿足超高檢測精度的要求。

5.1 國內磁編碼器品牌及產品對比

國內主要有臺州西安微電機研究所、長春第一光學儀器廠、深圳四方電氣技術有限公司和北京金鋼科技有限公司等對磁編碼器展開研究和生產。

深圳四方電氣技術有限公司的磁編碼器產品主要是以磁阻傳感器為磁敏感元件的絕對式磁編碼器。其分辨率可達到17位，主要應用于伺服系統的閉環控制。

北京金鋼科技有限公司的磁編碼器產品主要是MBP型號的磁編碼器，屬于印制線路板(printed circuit board,PCB)超高精度型，分辨率高達18～20位，厚度僅7 mm，且具有磁干擾屏蔽技術，可以在強磁干擾的環境中使用，擴大了磁編碼器的應用領域，符合工業上小型化、高可靠性的需求。根據最新調研，北京金鋼科技有限公司研制的磁環編碼器的分辨率可達26位，主要用于軍工以及機器人領域。

5.2 國外磁編碼器品牌及產品對比

奧地利AMS公司的磁性角度傳感器的分辨率達到14位，絕對角度位置以脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)、UVW等不同方式輸出。

德國Hengstler公司的非接觸型磁編碼器的分辨率可達17位，可自激活，能承受非常大的軸向和徑向負載，廣泛應用于建筑機械、起重機、風電場等場景。

英國Renishaw公司的磁編碼器產品主要是磁旋轉編碼器和磁環。其中，AksIM霍爾式磁編碼器的分辨率可達20位，能應用于賽車運動、安全攝像機等場景。

日本公司先后研制出10位的增量型磁編碼器、16位的帶溫度補償回路和電路細分的正弦波磁編碼器，以及20位的高分辨率磁編碼器。其中，Yamaha公司研制開發的YRE-200系列磁編碼器的分辨率高達20位。

5.3 國內外磁編碼器產品對比

國內外磁編碼器產品對比如表2所示。

表2 國內外磁編碼器產品對比

從表2可以看出，目前國內外磁編碼器產品偏向于體積更小的霍爾式磁編碼器，分辨率主要為12～20位。其中，中國北京金鋼科技有限公司的磁環編碼器分辨率最高，可達26位。

6 磁編碼器的發展趨勢

雖然市場上已生產出各種類型磁編碼器產品，能滿足一定的應用需求，但是對于一些存在高精度要求、對體積具有嚴苛要求的應用場景，目前的磁編碼器產品還不能完全適用。對于高分辨率、高精度的磁編碼器，位置解算方法以及誤差處理技術是關鍵。對此，仍需發展更高階的鎖相環法或將其與其他算法進行結合，以提高位置解算的精度并有效處理誤差，進而提高分辨率。

綜上所述，可概括出以下磁編碼器的發展趨勢。

①提高分辨率、檢測精度。提高分辨率不僅是提高精度的基礎，更是磁編碼器的使命。隨著對控制精確度要求的提高，高精度的測量技術與產品在不斷發展，磁編碼器需要不斷提高自身的分辨率以達到更高的檢測精度，適應高精度的發展趨勢，滿足未來廣闊市場中更多領域的應用需求。

②小型化、集成化。作為檢測與控制系統的重要部件，體積越小的磁編碼器，其應用領域越廣，越符合未來產品的要求。此外，磁編碼器已經逐漸被集成到控制系統中進行位置信息的直接檢測與反饋，未來將不再是磁編碼器單獨對系統位置進行解算再通過外部電路顯示和反饋信息。磁編碼器與被檢測對象進行集成或成為一大發展方向。

③發展更簡便、有效的位置解算方法與誤差處理技術。當集成化成為發展趨勢時，要求磁編碼器檢測的位置信息更加精準，因此需要更加簡便、有效的磁編碼器位置解算方法與誤差處理技術。過于復雜的方法不但難以實現，而且電路十分復雜，難以集成。因此，需要進一步探索，在研究更加有效的位置解算方法的基礎上，盡可能簡化其誤差處理技術與實現方法。

7 結論

本文對磁編碼器的技術現狀與發展進行了深入的分析與總結。首先，對比了磁編碼器的三種位置解算方法。其中，鎖相環法解算精度高，研究與應用最為廣泛。其次，分析了磁編碼器位置解算的誤差來源，鎖相環法與自適應算法相結合的誤差處理方法成為主流。然后，調研了國內外關于磁編碼器產品的研究并重點就其分辨率進行了對比，市場傾向于體積更小的霍爾式磁編碼器。其中，中國北京金鋼科技有限公司的磁環編碼器分辨率最高，可達26位。最后，對磁編碼器的發展趨勢進行了展望。總的來說，發展更高效的位置解算方法與誤差處理技術，是實現磁編碼器高分辨率、高檢測精度、小型化、集成化的關鍵。本文的研究在我國磁編碼器的設計與研發、工業控制與智能制造等方面具有一定參考價值。