磁編碼器研究現(xiàn)狀及展望

陳洪生,王 寅,邱 鑫,楊建飛

(南京師范大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,南京 210023)

0 引 言

編碼器作為高精度位置傳感器,與數(shù)字控制相結(jié)合,將控制系統(tǒng)中的位置角度和速度等物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),以此進(jìn)行位置檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制[1]。高分辨率、高精度、低成本和強(qiáng)抗干擾能力是編碼器的主要研究方向[2]。

磁編碼器利用磁敏感元件檢測(cè)磁極運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的變化磁場(chǎng),并解算得到運(yùn)動(dòng)物體的位置[3],具有精度高、成本低、抗振動(dòng)和沖擊能力強(qiáng)和體積小等優(yōu)點(diǎn)[4-5],在軍事、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域逐步取代光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器[6-7]。

本文對(duì)磁編碼器進(jìn)行系統(tǒng)介紹。首先,介紹了磁編碼器的基本原理和分類,根據(jù)磁敏感元件的不同分為霍爾式和磁阻式;其次,列舉了磁編碼器的單極和多極位置解算方法。其中多極的游標(biāo)卡尺法解算精度最高;再次,分析了磁編碼器位置解算的3個(gè)主要誤差因素及其補(bǔ)償算法,鎖相環(huán)及其改進(jìn)算法成為主流;然后,對(duì)國(guó)內(nèi)外的各類磁編碼器產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研,并對(duì)比其性能;其中,北京金鋼科技有限公司和日本多摩川所生產(chǎn)的磁編碼器精度達(dá)到24位;最后,展望了磁編碼器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。總體而言,未來(lái)方向是提高磁編碼器的分辨率和檢測(cè)精度,減小體積,發(fā)展簡(jiǎn)單、高效的位置解算和誤差處理算法。

1 磁編碼器工作原理及分類

磁編碼器主要由永磁體、磁敏元件以及信號(hào)處理電路組成[8-9]。與光電編碼器相比,磁編碼器利用永磁體代替玻璃碼盤(pán),永磁體與檢測(cè)對(duì)象同軸相連,永磁體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng),磁敏元件檢測(cè)到磁場(chǎng)后輸出相應(yīng)周期性變化的電壓信號(hào),磁編碼器建立電壓信號(hào)與位置角度的單一映射關(guān)系,以此達(dá)到檢測(cè)對(duì)象的位置和運(yùn)動(dòng)速度。典型的磁編碼器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磁編碼器結(jié)構(gòu)

磁敏元件分為磁阻元件和霍爾元件[10]。根據(jù)磁敏元件的不同,磁編碼器可以分為磁阻式編碼器和霍爾式編碼器。磁阻式根據(jù)磁敏電阻的不同可以分為巨磁阻(GMR)、各向異性磁阻(AMR)和隧穿磁阻(TMR);霍爾式編碼器根據(jù)永磁體磁極數(shù)量又可以分為單極霍爾式磁編碼器和多極霍爾式磁編碼器[11-12]。磁敏元件分類如圖2所示。

圖2 磁編碼器分類

1.1 磁阻式編碼器

1.1.1 巨磁阻(GMR)磁編碼器

巨磁阻[13](GMR)磁編碼器的磁敏元件為巨磁阻,主要由自由層、導(dǎo)體墊片、固定層、反鐵磁體以及兩端的連接金屬組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 巨磁阻(GMR)結(jié)構(gòu)

自由層的磁化方向會(huì)受外界磁場(chǎng)的影響而變化,反鐵磁體的磁化方向是固定的。當(dāng)兩者方向平行時(shí),呈現(xiàn)高電阻狀態(tài);垂直時(shí),呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)。

巨磁阻(GMR)的電阻率比各向異性磁阻大一個(gè)數(shù)量級(jí),因此具有良好的溫度穩(wěn)定性,同時(shí)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制作成本高,存在層間耦合,在許多場(chǎng)合受到制約。Infineon公司生產(chǎn)的TLE系列就是基于GMR制作的位置傳感器。

1.1.2 各向異性磁阻(AMR)磁編碼器

各向異性磁阻(AMR)磁編碼的磁敏元件為各向異性磁阻[14]。其由鐵磁條層和兩端的連接金屬組成,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 各向異性磁阻(AMR)結(jié)構(gòu)

各向異性磁阻的電阻值由電流方向與鐵磁條層的充磁方向決定,平行時(shí)的導(dǎo)電電阻最大,垂直時(shí)的導(dǎo)電電阻最小。各向異性磁阻的電阻率表示:

ρ(θ)=ρ⊥+(ρ‖-ρ⊥)cos2θ

(1)

式中:θ表示電流方向與鐵磁條層磁化方向的夾角;ρ⊥表示垂直方向時(shí)的電阻率;ρ‖表示平行方向時(shí)的電阻率。

各向異性磁阻在較低磁場(chǎng)下仍有百分之幾的數(shù)值,基于AMR制成的傳感器多用于倉(cāng)儲(chǔ)、醫(yī)療等領(lǐng)域。MagnTek公司生產(chǎn)的MT6825是基于AMR制作的18位角度傳感器。

1.1.3 隧穿磁阻(TMR)磁編碼器

隧穿磁阻[15-17](TMR)結(jié)構(gòu)與GMR類似,TMR在自由層與反鐵磁體間添加了一層隧穿屏障,自由層和反鐵磁體的相對(duì)取向決定了隧穿屏障的電阻和電流,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 隧穿磁阻(TMR)結(jié)構(gòu)

TMR的信噪比好、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn),是目前最常用的磁敏電阻。多維科技生產(chǎn)的TMR3105A是基于TMR制作的角度傳感器。

磁敏電阻具有靈敏度高,響應(yīng)速度快,溫度特性好等優(yōu)點(diǎn),因此磁阻式編碼器廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[18]。但是磁阻式編碼器精度的提高必然伴隨著磁極數(shù)量的增加,使得加工難度增大、體積增大、成本上升。目前主要應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

1.2 霍爾式磁編碼器

1.2.1 單極霍爾式磁編碼器

單極霍爾式磁編碼器[19-20]的單對(duì)極永磁體旋轉(zhuǎn)一周,霍爾傳感器產(chǎn)生一個(gè)周期的正余弦信號(hào),充磁方向一般為徑向。通過(guò)多個(gè)霍爾傳感器分布式設(shè)計(jì),可以獲得不同的模擬信號(hào)。圖6為采用的單磁極6霍爾感應(yīng)模型。6個(gè)霍爾傳感器對(duì)稱分布,將6路霍爾信號(hào)差分處理,可以消除信號(hào)中2次和3次諧波,通過(guò)此方法可以將17位分辨率的磁編碼器精度提高到13位。

圖6 單極6霍爾磁編碼器結(jié)構(gòu)

1.2.2 多極霍爾式磁編碼器

單極霍爾式磁編碼器[21-22]旋轉(zhuǎn)一周只能產(chǎn)生一個(gè)周期的正弦信號(hào),編碼器分辨率和精度有限。通過(guò)增加永磁體極對(duì)數(shù),一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)周期的正弦信號(hào),提高磁編碼器分辨率。多極霍爾式磁編碼器計(jì)算絕對(duì)位置角度必須按照磁極劃分區(qū)間,目前主要采用單對(duì)磁極和多對(duì)磁極組合式磁柵,如圖7所示。

圖7 單極多極磁體組合結(jié)構(gòu)

內(nèi)部單對(duì)磁極計(jì)算區(qū)間位置,外部多對(duì)磁極計(jì)算區(qū)間絕對(duì)角度。通過(guò)此方法可以將磁編碼器17位分辨率下的精度由11位提高到15位。

1.3 不同磁編碼器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

綜上所述,將磁編碼器的磁敏感元件參數(shù)總結(jié)對(duì)比,如表1所示。

表1 磁編碼器磁敏感元件參數(shù)對(duì)比

由表1可見(jiàn),TMR磁編碼器與其他3種磁編碼器相比,參數(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì),功耗小、靈敏度高、響應(yīng)速度快和溫度漂移小等。

2 磁編碼器位置解算方法

對(duì)磁敏感元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行位置解算,是磁編碼器的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[5,8,23]。根據(jù)永磁體磁極數(shù)量的不同,磁編碼器的位置解算方法分為單極解算方法和多極解算方法。下面對(duì)單極型和多極型磁編碼器的解算方法進(jìn)行分析,對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 單極磁編碼器位置解算方法

單極型磁編碼器在定子圓周相差90°位置上放置磁敏感元件,理想情況下,磁敏感元件輸出兩個(gè)正交的正、余弦信號(hào),如圖8所示。

圖8 理想單極磁編碼器信號(hào)

目前單極型磁編碼器的位置解算方法主要有反正切法、查表標(biāo)定法、鎖相環(huán)法。

2.1.1 反正切法

單極型磁編碼器的理想輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)模型如下表示:

式中:Um為輸出電壓峰值;θ為被測(cè)對(duì)象的位置角度;uA,uB為磁敏感元件輸出的正、余弦信號(hào)。

理想的兩路輸出信號(hào)為正弦、余弦函數(shù),利用反正切函數(shù)即可求得角度值,如下表示:

反正切法[24]原理簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),但對(duì)硬件要求高。同時(shí),反正切函數(shù)在90°和270°時(shí)值無(wú)窮大,會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出,解算精度取決于磁敏元件輸出信號(hào)的理想程度,受非線性影響大。正切函數(shù)曲線如圖9所示。

圖9 正切函數(shù)

2.1.2 查表標(biāo)定法

查表標(biāo)定法[25]的本質(zhì)是對(duì)圓周角度進(jìn)行絕對(duì)編碼細(xì)分,建立磁編碼器輸出信號(hào)與細(xì)分后的位置角度數(shù)字量信息的單一映射關(guān)系。采用高精度的光電編碼器與磁編碼器同軸相連,對(duì)磁編碼器輸出的電壓信號(hào)與角度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定,將角度數(shù)據(jù)存入EEPROM(可擦除、可編碼存儲(chǔ)空間)中。工作時(shí)僅對(duì)輸出電壓信號(hào)判斷,分區(qū)間查表,即可輸出位置角度。標(biāo)定查表區(qū)間如圖10所示。

圖10 標(biāo)定查表區(qū)間

查表標(biāo)定法只需判斷信號(hào)區(qū)間,解算速度快。但占用大量存儲(chǔ)單元,分辨率越高,占用內(nèi)存越大。

2.1.3 鎖相環(huán)法

鎖相環(huán)法是閉環(huán)位置解算[26-27]。鎖相環(huán)由相位檢測(cè)器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成。相位檢測(cè)器是基于三角公式原理,鎖相環(huán)環(huán)路的輸入和反饋信號(hào)近似輸入輸出之間的誤差;環(huán)路濾波器通常采用比例積分控制器,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起超調(diào)、響應(yīng)和噪聲抑制的作用;壓控振蕩器跟蹤輸入輸出相位差,調(diào)整輸出相位。鎖相環(huán)法原理圖如圖11所示。

圖11 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

將磁編碼器輸入的sin、cos信號(hào)與輸出反饋的兩路信號(hào)通過(guò)乘法器、減法器進(jìn)行相位比較,得到誤差ei,表示:

當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后,誤差ei足夠小時(shí),可以近似如下式:

誤差經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器和壓控振蕩器后輸出角度值 。

鎖相環(huán)法是閉環(huán)位置解算,受誤差影響小,解算精度高,具有一定的濾波能力。但是算法復(fù)雜,解算時(shí)間長(zhǎng)。

2.2 多極磁編碼器位置解算方法

增加永磁體極對(duì)數(shù)可以提高磁編碼器分辨率,與單極磁編碼器相比,多極磁編碼器輸出極對(duì)數(shù)個(gè)周期的正余弦信號(hào),計(jì)算公式表示:

usin=Umsinθe

ucos=Umcosθe

θe=pθm

式中:θe是電角度;θm是機(jī)械角度;n是經(jīng)過(guò)的完整周期數(shù);p是極對(duì)數(shù)。采用單極解算方法無(wú)法指定n,造成絕對(duì)角度丟失。多極磁編碼器位置解算方法的重點(diǎn)是完整周期數(shù)n的計(jì)算。

2.2.1 游標(biāo)卡尺法

游標(biāo)卡尺法是基于游標(biāo)測(cè)量原理[28],永磁體由兩個(gè)多極磁環(huán)組成,稱為內(nèi)碼道和外碼道,磁敏元件掃描永磁體輸出兩組周期數(shù)差1的正弦信號(hào),如圖12所示,這里稱為A信號(hào)和B信號(hào)。

圖12 游標(biāo)磁體輸出信號(hào)

在初始位置相同的情況下,兩組信號(hào)的位置角度可以表示:

式中:θA、θB表示A信號(hào)和B信號(hào)對(duì)應(yīng)的實(shí)際角度;mA、mB表示A信號(hào)和B信號(hào)的完整周期數(shù);N表示旋轉(zhuǎn)一周的總周期數(shù);φA、φB表示當(dāng)前周期內(nèi)的絕對(duì)位置角度。

內(nèi)外碼道初始位置相同,即θA=θB,可表示:

內(nèi)碼道和外碼道極對(duì)數(shù)相差1,信號(hào)A和信號(hào)B的完整周期數(shù)mA、mB的關(guān)系只存在以下兩種情況:

(1)m=mA=mB時(shí)

(2)m=mA=mB+1時(shí)

在0～360°內(nèi)根據(jù)φA-φB判斷角度所處的區(qū)間,根據(jù)φA或者φB即可計(jì)算當(dāng)前位置角度。游標(biāo)卡尺法原理簡(jiǎn)單、占用內(nèi)存小、易于硬件實(shí)現(xiàn),但對(duì)永磁體充磁質(zhì)量要求較高。

2.2.2 偏心結(jié)構(gòu)法

在不增加磁體的情況下,通過(guò)移動(dòng)多極磁體的中心和軸的旋轉(zhuǎn)軸線,多極磁體與檢測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)偏心同步,以此計(jì)算完整周期數(shù)n。多極偏心結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 偏心結(jié)構(gòu)

偏心結(jié)構(gòu)[29]使得霍爾傳感器與多極磁體之間的距離呈周期性變化,傳感器輸出幅值呈周期性變化的正余弦信號(hào)。

霍爾傳感器輸出信號(hào)與θm之間的關(guān)系存儲(chǔ)在查找表中,完整周期數(shù)是通過(guò)計(jì)算查找表中的理想信號(hào)與實(shí)際輸出信號(hào)之間的誤差來(lái)獲得,并且當(dāng)下式最小時(shí)確定。可表示:

在不增加磁柵數(shù)量的情況下,采用偏心結(jié)構(gòu)可以有效計(jì)算位置角度,但是需要多個(gè)角度傳感器,成本較高。

2.3 位置解算方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

綜上所述,磁編碼器的位置解算方法對(duì)比分析如表2所示。

表2 位置解算方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 精度提升算法

受到磁極充磁不均、模擬電路電阻誤差、傳感器安裝位置誤差等因素的影響[30-31],在正交的正余弦信號(hào)中存在幅值差異、相位偏移、信號(hào)失真以及環(huán)境噪聲[8,32]等非線性因素,從而影響磁編碼器位置檢測(cè)精度。對(duì)磁編碼器的非線性因素的處理,對(duì)提高磁編碼器精度至關(guān)重要,是磁編碼器的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

3.1 信號(hào)失真補(bǔ)償算法

實(shí)際工程應(yīng)用中,磁編碼器輸出信號(hào)會(huì)受到實(shí)際環(huán)境的干擾,如外圍模擬電路、地磁等,使得原本理想的正余弦信號(hào)發(fā)生畸變,信號(hào)中產(chǎn)生大量的高次諧波。對(duì)此,引入補(bǔ)償算法消除諧波干擾。

文獻(xiàn)[33]采用基于觀測(cè)器鎖相環(huán)(OPLL)和非線性補(bǔ)償方案來(lái)消除諧波失真引起的位置誤差。首先,OPLL用于消除非理性因子并估計(jì)相位誤差。然后,建立兩個(gè)由于諧波而偏離的位置信號(hào)誤差表,每次采用結(jié)構(gòu)通過(guò)查表補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)OPLL的主相位角進(jìn)行調(diào)制。該方法有效消除非理想因子、諧波失真,提高磁編碼器精度。

文獻(xiàn)[34]提出一種基于諧波抑制(HR)的雙鎖相環(huán)法(DPLL)。將HR與DPLL的第一層PLL的相位檢測(cè)器集成,借助諧波抑制(HR)來(lái)研究相位檢測(cè)器的非理想性,并通過(guò)梯度下降法來(lái)抑制諧波分量。DPLL通過(guò)在相位跳躍、恒定頻率和斜坡頻率期間保持零穩(wěn)態(tài)誤差,抑制諧波失真的同時(shí)保證了系統(tǒng)的魯棒性。但是該方法無(wú)法處理初始信號(hào)的相位偏移,并且存在一定的信號(hào)延時(shí)。

文獻(xiàn)[35]提出了最速下降的迭代線性搜索算法分析磁編碼器的位置誤差。首先,對(duì)磁編碼器信號(hào)中的諧波失真進(jìn)行建模。然后,構(gòu)建信號(hào)的誤差函數(shù)。最后,利用最速下降的無(wú)約束和多元算法最小化誤差函數(shù)。但是對(duì)諧波失真建模的高階近似會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償參數(shù)的收斂出現(xiàn)偏差,補(bǔ)償效率取決于誤差模型的準(zhǔn)確性。

文獻(xiàn)[36]提出了一種單極6霍爾式磁編碼器,在單極磁鋼周圍等間距分別6個(gè)線性霍爾傳感器,6路信號(hào)差分處理,可以消除偶數(shù)磁諧波。6霍爾傳感器等間距分布,6路信號(hào)正交,可以消除3次和3的倍數(shù)次諧波。該方案通過(guò)增加硬件,消除諧波失真,提高磁編碼器精度。

3.2 幅值和相位偏移補(bǔ)償算法

由于磁編碼器安裝的人為誤差,輸出信號(hào)產(chǎn)生幅值偏差和相位偏移。磁敏元件與磁體之間的距離誤差,檢測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同導(dǎo)致幅值偏差;磁敏元件之間未嚴(yán)格正交、多磁體的磁極初始位置不同步,導(dǎo)致輸出信號(hào)相位偏移。

文獻(xiàn)[37]采用基于優(yōu)化理論的遞歸梯度搜索算法來(lái)校正磁編碼器輸出的非理性信號(hào),將位置信號(hào)近似為誤差隨時(shí)間變化的函數(shù),將誤差結(jié)果迭代至最小時(shí)輸出位置信號(hào)。同時(shí),在算法中添加了相位偏移校正,并且只應(yīng)用了二階近似方程,提高精度的同時(shí)降低了計(jì)算量。

文獻(xiàn)[38]提出一種自動(dòng)標(biāo)定和自適應(yīng)鎖相環(huán)相結(jié)合的方法,通過(guò)模糊邏輯控制,靈活地改變鎖相環(huán)的帶寬,自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)檢測(cè)相位檢測(cè)器的輸入誤差,根據(jù)誤差結(jié)果調(diào)整濾波參數(shù),從而自動(dòng)校正磁編碼器輸出信號(hào)中的直流偏移、幅值偏差和相位偏移,提高磁編碼器精度。

文獻(xiàn)[39]提出了一種自校正調(diào)整算法。該方法是基于低通濾波器,通過(guò)調(diào)整濾波器截止頻率,從而確定校準(zhǔn)參數(shù),隨后通過(guò)調(diào)整算法將輸入信號(hào)歸一化,在鎖相環(huán)上實(shí)現(xiàn),通過(guò)閉環(huán)使參數(shù)逐漸收斂,降低誤差影響,提高磁編碼器精度。

3.3 隨機(jī)噪聲補(bǔ)償算法

磁編碼器的實(shí)際輸出信號(hào)不可避免地帶有一定量的隨機(jī)噪聲,包括高斯噪聲、白噪聲等。隨機(jī)噪聲可能引起信號(hào)跳變,使編碼器信號(hào)在過(guò)零點(diǎn)位置產(chǎn)生檢測(cè)誤差,降低磁編碼器檢測(cè)精度。

文獻(xiàn)[39]提出了自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)(AWB-PLL),利用AWB-PLL對(duì)磁編碼器的相位角進(jìn)行平滑估計(jì),同時(shí)在相位檢測(cè)器后增加低通濾波器,根據(jù)相位檢測(cè)器的相位差,采用自適應(yīng)帶寬算法適當(dāng)調(diào)整濾波參數(shù),以此消除噪聲干擾。

文獻(xiàn)[40]針對(duì)隨機(jī)噪聲引起的極點(diǎn)跳躍問(wèn)題,提出了雙動(dòng)態(tài)窗口角度區(qū)間預(yù)測(cè)法,對(duì)多極磁編碼器輸出的角度值進(jìn)行預(yù)測(cè),在預(yù)測(cè)值處設(shè)置窗口上限和下限,由窗口值判斷極點(diǎn)數(shù),消除了極點(diǎn)數(shù)的誤判。

文獻(xiàn)[41]提出增強(qiáng)比率線性補(bǔ)償法,將每個(gè)周期相位誤差存儲(chǔ)在查找表中,不斷更新位置誤差補(bǔ)償值,同時(shí)在增強(qiáng)比率線性化中添加低通濾波器和校準(zhǔn)器,消除隨機(jī)噪聲,提高性能。

文獻(xiàn)[42]提出了自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和鎖相環(huán)相結(jié)合的方法,利用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)輸出信號(hào)中的非理性因子,然后利用鎖相環(huán)的閉環(huán)特性跟蹤信號(hào)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)學(xué)習(xí)可以加快收斂速度,減少隨機(jī)噪聲干擾。

結(jié)合諸多研究可以發(fā)現(xiàn),濾波和誤差迭代算法是目前磁編碼器位置解算和誤差處理的主要方法。其中改進(jìn)鎖相環(huán)算法主要是在鎖相環(huán)算法的基礎(chǔ)上引入濾波或者誤差迭代算法,保證系統(tǒng)魯棒性的同時(shí)進(jìn)一步提高解算精度。但是目前沒(méi)有哪種誤差處理算法能夠?qū)λ姓`差進(jìn)行消除,總有誤差無(wú)法完全處理,這也導(dǎo)致磁編碼器精度無(wú)法進(jìn)一步提高。

4 國(guó)內(nèi)外磁編碼器產(chǎn)品分析對(duì)比

目前,市面上的磁編碼器產(chǎn)品主要來(lái)自德國(guó)、英國(guó)、瑞士、日本和中國(guó)等國(guó)家,高端產(chǎn)品以德國(guó)和日本為主。傳統(tǒng)的磁編碼器精度低、成本高。近年來(lái),隨著磁敏元件和磁柵制造技術(shù)的發(fā)展,高分辨率的磁編碼器不斷被開(kāi)發(fā),但其分辨率與光電編碼器相比仍有一定差距。

4.1 國(guó)內(nèi)磁編碼器廠家及產(chǎn)品分析

國(guó)內(nèi)主要有北京金鋼科技有限公司、嘉興市銳鷹傳感技術(shù)有限公司、威海艾迪科電子科技股份有限公司和深圳四方電氣技術(shù)有限公司等對(duì)磁編碼器進(jìn)行研發(fā)和制造。

威海艾迪科電子科技股份有限公司生產(chǎn)的磁編碼器產(chǎn)品主要是基于集成磁傳感器芯片的分體式絕對(duì)值編碼器,分辨率達(dá)到17位,主要應(yīng)用于伺服系統(tǒng)。

北京金鋼科技有限公司生產(chǎn)的磁編碼器包括MBS和MBP兩種型號(hào),內(nèi)部擁有多個(gè)高精度霍爾傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)變化,采用特有磁干擾屏蔽技術(shù),可以安裝于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境,7 mm超薄中空結(jié)構(gòu),方便各種場(chǎng)合安裝。MBS系列的分辨率為16～17位;MBP系列的分辨率高達(dá)24位,精度小于0.01°。目前,北京金鋼科技有限公司生產(chǎn)的中空磁環(huán)編碼器憑借其體積小、精度高,廣泛應(yīng)用于軍工以及機(jī)器人領(lǐng)域。

4.2 國(guó)外磁編碼器廠家及產(chǎn)品分析

瑞士Baumer公司生產(chǎn)的EAM絕對(duì)式磁編碼器單圈分辨率14位,多圈18位,采用堅(jiān)固的ShaftLock軸鎖設(shè)計(jì)法蘭,防止軸向穿透,即使安裝不當(dāng)時(shí),也基本不影響編碼器可靠性。

奧地利AMS公司生產(chǎn)的AK7452磁編碼器芯片,雖然基于HALL元件,但是分辨率達(dá)到14位,主要應(yīng)用于醫(yī)療、攝影等領(lǐng)域。

德國(guó)Hengstler生產(chǎn)的AR系列重載型磁編碼器,分辨率為12位,防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP69K,軸向和徑向可同時(shí)承受300 N的力,廣泛應(yīng)用于龍門起重機(jī)、壓力機(jī)、海上設(shè)備等重型機(jī)械設(shè)備。

日本Tamagawa公司是目前亞洲地區(qū)高精度磁編碼器的主要制造商,其生產(chǎn)的TS569 MSB系列絕對(duì)式磁編碼器分辨率最大24位,通過(guò)檢測(cè)Z相位執(zhí)行偽絕對(duì)輸出。

各國(guó)磁編碼器分辨率對(duì)比如表3所示。

表3 各國(guó)磁編碼器產(chǎn)品分辨率對(duì)比

目前,國(guó)內(nèi)的大部分磁編碼器產(chǎn)品主要是基于集成傳感器芯片,分辨率和精度取決于所選芯片的性能,磁編碼器發(fā)展受制于芯片制造。國(guó)內(nèi)的金鋼科技和國(guó)外的諸多公司開(kāi)始發(fā)展多極磁環(huán),通過(guò)提高磁極數(shù)和多極解碼算法提高磁編碼器分辨率。

5 結(jié) 語(yǔ)

雖然多極中空磁環(huán)、分體式單極等不同類型的磁編碼器已生產(chǎn),能滿足一定的市場(chǎng)需求,磁編碼器的應(yīng)用仍以建筑機(jī)械、電梯等場(chǎng)景,但是對(duì)于伺服、機(jī)器人等對(duì)高精度和體積要求高的場(chǎng)景,仍以光電編碼器為主。位置解算算法、磁柵制作水平和誤差處理技術(shù)是提高磁編碼器精度的關(guān)鍵。在采樣頻率一定時(shí),需要提高磁極數(shù),在鎖相環(huán)基礎(chǔ)上發(fā)展更加高效的位置解算算法,提高磁編碼器的抗干擾性,減少誤差干擾,從而提高磁編碼器精度。

綜上所述,磁編碼器未來(lái)發(fā)展方向有如下三方面。

1)高分辨率、高精度。高分辨率是高精度的基礎(chǔ),也是磁編碼器的關(guān)鍵指標(biāo)。目前磁編碼器的分辨率在12～20位,檢測(cè)精度在14位左右。隨著對(duì)控制要求的不斷提高,高精度成為傳感器產(chǎn)品的必然發(fā)展趨勢(shì),磁編碼器需要不斷提高自身分辨率和測(cè)量精度,適應(yīng)行業(yè)發(fā)展,在高精度控制領(lǐng)域逐步取代光電編碼器,滿足未來(lái)更廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

2)集成化、小型化。磁編碼器的體積是制約磁編碼器應(yīng)用的重要因素,體積越小,應(yīng)用范圍越廣。磁編碼器分辨率和精度的提高必然伴隨著磁極數(shù)量的增多、處理電路的復(fù)雜化,導(dǎo)致體積增大。目前,外圍模擬電路、磁敏元件已經(jīng)逐漸被集成到微型處理芯片中,未來(lái)的磁編碼器將作為整體對(duì)系統(tǒng)位置信號(hào)完成檢測(cè)、處理和反饋。

3)低成本化。現(xiàn)階段磁編碼器分辨率和精度的提高是以犧牲成本為代價(jià),不利于磁編碼器的推廣應(yīng)用。提高磁極數(shù)量和采用高性能的處理芯片可以有效提高分辨率,但成本增加。相同精度的磁編碼器成本是光電編碼器的2～3倍,嚴(yán)重制約磁編碼器發(fā)展。