磁性编码器的工作原理

此一不二

磁性编码器的工作原理

　　
磁性编码器的工作原理

　　磁性编码器主要部分由磁阻传感器、磁鼓、信号处理电路组成。将磁鼓刻录成等间距的小磁极，磁极被磁化后，旋转时产生周期分布的空间漏磁场。磁传感器探头通过磁电阻效应将变化着的磁场信号转化为电阻阻值的变化，在外加电势的作用下，变化的电阻值转化成电压的变化，经过后续信号处理电路的处理，模拟的电压信号转化成计算机可以识别的数字信号，实现磁旋转编码器的编码功能。

  　　磁电阻效应是磁旋转编码器工作的基本物理机理。磁电阻效应广泛存在于金属和半导体中。其来源于通电导体或半导体内部载流子，因受到外部洛仑兹力的作用，使其运动轨迹发生偏转或产生螺旋运动，从而导致物质内部的电位差发生变化。宏观表现为随着外磁场的变化，磁阻的阻值也发生相应的变化。

　　
运用特点

　　优点：

　　1.易于小型化，价格低廉。

　　2.结构简单，调试方便，安装简便。

　　3.线驱动输出型，抗干扰能力强，适合长线输出。

　　4.结构紧凑，转速高，响应速度快,抗震动等级高。

　　5.元件可进行排列组合，构成新功能和多功能器件。



　　6.封闭结构，可防尘、防油，不易受外界污染的影响。  

　　磁鼓充磁的目的是使磁鼓上的一个个小磁极被磁化，这样在磁鼓随着电动机旋转时，磁鼓能产生周期变化的空间漏磁，作用于磁电阻之上，实现编码功能。磁鼓磁极的个数决定着编码器的分辨率，磁鼓磁极的均匀性和剩磁强弱是决定编码器结构和输出信号质量的重要参数。下图：磁鼓表面的磁极分布     　　磁阻传感器是磁阻敏感元件做成，磁阻器件可以分为半导体磁阻器件和强磁性磁阻器件。为了提高信号采样的灵敏度，同时考虑到差动结构对敏感元件温度特性的补偿效应，一般在充磁间距λ内，刻蚀2个位相差为丌／2的条纹，构成半桥串联网络。如下图：

  　　同时，为了提高编码器的分辨率，可以在磁头上并列多个磁阻敏感元件，在加电压的情况下，磁阻元件通过磁鼓旋转输出相应正弦波。其原理可简单解释：磁鼓产生NS的磁场作圆周运动,磁阻元件做成的传感器随磁场变化电阻也随之变化，并感测出SinA，SinB两个电压波形。磁阻传感器的构造如图，由8个磁阻分为两组相距1/4 NS间距。在Mr1，Mr2与Mr3，Mr4的接点处可检出Sin电压波形，同样原理在Mr1‘，Mr2‘与Mr3‘，Mr4‘的接点处可检出SinB电压波形。

  　　磁阻元件构成的磁阻传感器等效图   　　从磁阻传感器输出的两路波形

　　信号处理电路：SinA，SinB信号到达信号处理电路后，为了能在cpu取样的范围内，需对波形进行调整。首先AB相信号需先做DC电压准位调整，使AB相信号直流准位位于DSP A/D取样电压范围的中点，且振幅不超过取样电压范围，AB相信号再经过模拟滤波器及数字滤波器，将高频及谐波滤除后，通过DSP高速运算能力实时地将计算出位置和速度；另外还有一种处理方法是将SinA、SinB信号直接通过信号处理电路转换成方波后再进DSP。后者可能软件处理起来更方便一些。

  　　如果有机会拆开一只磁性旋转编码器，通常会看到类似上图这样的内部结构。与一般的编码器（或Resolver）相比，磁性编码器有着相同的机械轴与外壳结构，但同时其位置检测机构却又显得非常简单，仅仅是安装在机械轴末端跟随轴旋转的一块小磁铁和编码器尾部的一块PCB线路板而已。

　　
那么，磁性编码器是如何测量旋转位置反馈的呢？

　　让我们先来看一个经典的物理学（确切说是电磁学）现象。

  　　如上图所示，在扁平长方形导体两端施加电压，让其在一个方向上（如长的方向）产生电流。

  　　此时，如果在通电导体上再施加一个方向与导体平面垂直的磁场（如上图所示），那么，导体上流动的电荷就会因为受到由磁场感应产生的洛伦兹力而发生流通路径的偏移。

  　　根据中学物理课学过的左手定则，可以判断出电荷流动时偏移的方向，并且正负电荷在磁场中流通时偏移的方向是相反的。这就是说，当有电流流经磁场中的这个扁平导体时，其正负电荷会分别沿着左右两条路径从中穿过。

  　　此时，在导体的两侧，也就是在其垂直于电流流过的方向上，就会有电势差产生。

　　这就是霍尔效应（Hall Effect），是由一位名叫Edwin Herbert Hall的物理学家在1879年发现的。

  　　接下来，如果让施加在这个导体上的磁场以电流流经路径为轴线，按照上图箭头所示的方向旋转，那么这个霍尔电势差就会因为磁场与导体之间角度的改变而发生变化，而这个电势差的变化趋势，与之前一文中次级线圈旋转时的输出电压一样，是一条正弦曲线。因此，基于这个通电导体两侧的电压，就可以反推计算出磁场旋转的角度了。

　　这就是磁性编码器测量旋转位置反馈时的基本工作机理了。

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