磁性編碼器的工作原理

文章來源：http://www.9944342.com/  發(fā)布時間：2019/04/11    點擊數(shù)： 　　磁旋轉(zhuǎn)編碼器是一種以新型磁敏感元件為基礎(chǔ)的檢測裝置。盡管在目前市場上的編碼器中，光電編碼器占有很大的份額，但由于磁旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)速高、易用性好、可高度抗震、易于調(diào)整和安裝維護，加上其成本低廉，因此成為了替代旋變的普通精度場合的一種較佳選擇。
　　磁性編碼器的工作原理
　　磁性編碼器主要部分由磁阻傳感器、磁鼓、信號處理電路組成。將磁鼓刻錄成等間距的小磁極，磁極被磁化后，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生周期分布的空間漏磁場。磁傳感器探頭通過磁電阻效應(yīng)將變化著的磁場信號轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，在外加電勢的作用下，變化的電阻值轉(zhuǎn)化成電壓的變化，經(jīng)過后續(xù)信號處理電路的處理，模擬的電壓信號轉(zhuǎn)化成計算機可以識別的數(shù)字信號，實現(xiàn)磁旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼功能。
　　磁電阻效應(yīng)是磁旋轉(zhuǎn)編碼器工作的基本物理機理。磁電阻效應(yīng)廣泛存在于金屬和半導(dǎo)體中。其來源于通電導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部載流子，因受到外部洛侖茲力的作用，使其運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生螺旋運動，從而導(dǎo)致物質(zhì)內(nèi)部的電位差發(fā)生變化。宏觀表現(xiàn)為隨著外磁場的變化，磁阻的阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化。
　　運用特點
　　優(yōu)點：
　　1.易于小型化，價格低廉。
　　2.結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，安裝簡便。
　　3.線驅(qū)動輸出型，抗干擾能力強，適合長線輸出。
　　4.結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)速高，響應(yīng)速度快,抗震動等級高。
　　5.元件可進行排列組合，構(gòu)成新功能和多功能器件。

　　6.封閉結(jié)構(gòu)，可防塵、防油，不易受外界污染的影響。

　　磁鼓充磁的目的是使磁鼓上的一個個小磁極被磁化，這樣在磁鼓隨著電動機旋轉(zhuǎn)時，磁鼓能產(chǎn)生周期變化的空間漏磁，作用于磁電阻之上，實現(xiàn)編碼功能。磁鼓磁極的個數(shù)決定著編碼器的分辨率，磁鼓磁極的均勻性和剩磁強弱是決定編碼器結(jié)構(gòu)和輸出信號質(zhì)量的重要參數(shù)。下圖：磁鼓表面的磁極分布

　　磁阻傳感器是磁阻敏感元件做成，磁阻器件可以分為半導(dǎo)體磁阻器件和強磁性磁阻器件。為了提高信號采樣的靈敏度，同時考慮到差動結(jié)構(gòu)對敏感元件溫度特性的補償效應(yīng)，一般在充磁間距λ內(nèi)，刻蝕2個位相差為丌／2的條紋，構(gòu)成半橋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如下圖：
　　同時，為了提高編碼器的分辨率，可以在磁頭上并列多個磁阻敏感元件，在加電壓的情況下，磁阻元件通過磁鼓旋轉(zhuǎn)輸出相應(yīng)正弦波。其原理可簡單解釋：磁鼓產(chǎn)生NS的磁場作圓周運動,磁阻元件做成的傳感器隨磁場變化電阻也隨之變化，并感測出SinA，SinB兩個電壓波形。磁阻傳感器的構(gòu)造如圖，由8個磁阻分為兩組相距1/4 NS間距。在Mr1，Mr2與Mr3，Mr4的接點處可檢出Sin電壓波形，同樣原理在Mr1‘，Mr2‘與Mr3‘，Mr4‘的接點處可檢出SinB電壓波形。

　　信號處理電路：SinA，SinB信號到達信號處理電路后，為了能在cpu取樣的范圍內(nèi)，需對波形進行調(diào)整。首先AB相信號需先做DC電壓準(zhǔn)位調(diào)整，使AB相信號直流準(zhǔn)位位于DSP A/D取樣電壓范圍的中點，且振幅不超過取樣電壓范圍，AB相信號再經(jīng)過模擬濾波器及數(shù)字濾波器，將高頻及諧波濾除后，通過DSP高速運算能力實時地將計算出位置和速度；另外還有一種處理方法是將SinA、SinB信號直接通過信號處理電路轉(zhuǎn)換成方波后再進DSP。后者可能軟件處理起來更方便一些。
　　如果有機會拆開一只磁性旋轉(zhuǎn)編碼器，通常會看到類似上圖這樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。與一般的編碼器（或Resolver）相比，磁性編碼器有著相同的機械軸與外殼結(jié)構(gòu)，但同時其位置檢測機構(gòu)卻又顯得非常簡單，僅僅是安裝在機械軸末端跟隨軸旋轉(zhuǎn)的一塊小磁鐵和編碼器尾部的一塊PCB線路板而已。
　　那么，磁性編碼器是如何測量旋轉(zhuǎn)位置反饋的呢？
　　讓我們先來看一個經(jīng)典的物理學(xué)（確切說是電磁學(xué)）現(xiàn)象。
　　如上圖所示，在扁平長方形導(dǎo)體兩端施加電壓，讓其在一個方向上（如長的方向）產(chǎn)生電流。
　　此時，如果在通電導(dǎo)體上再施加一個方向與導(dǎo)體平面垂直的磁場（如上圖所示），那么，導(dǎo)體上流動的電荷就會因為受到由磁場感應(yīng)產(chǎn)生的洛倫茲力而發(fā)生流通路徑的偏移。
　　根據(jù)中學(xué)物理課學(xué)過的左手定則，可以判斷出電荷流動時偏移的方向，并且正負電荷在磁場中流通時偏移的方向是相反的。這就是說，當(dāng)有電流流經(jīng)磁場中的這個扁平導(dǎo)體時，其正負電荷會分別沿著左右兩條路徑從中穿過。
　　此時，在導(dǎo)體的兩側(cè)，也就是在其垂直于電流流過的方向上，就會有電勢差產(chǎn)生。
　　這就是霍爾效應(yīng)（Hall Effect），是由一位名叫Edwin Herbert Hall的物理學(xué)家在1879年發(fā)現(xiàn)的。
　　接下來，如果讓施加在這個導(dǎo)體上的磁場以電流流經(jīng)路徑為軸線，按照上圖箭頭所示的方向旋轉(zhuǎn)，那么這個霍爾電勢差就會因為磁場與導(dǎo)體之間角度的改變而發(fā)生變化，而這個電勢差的變化趨勢，與之前一文中次級線圈旋轉(zhuǎn)時的輸出電壓一樣，是一條正弦曲線。因此，基于這個通電導(dǎo)體兩側(cè)的電壓，就可以反推計算出磁場旋轉(zhuǎn)的角度了。
　　這就是磁性編碼器測量旋轉(zhuǎn)位置反饋時的基本工作機理了。
　　開地電子專業(yè)生產(chǎn)磁電編碼器的生產(chǎn)廠家,開地電子的磁電編碼器性能不易受塵埃和結(jié)露的影響；其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無觸點、長壽命、耐高低溫、抗振動、響應(yīng)速度快且成本較低，可替換國內(nèi)外品牌旋轉(zhuǎn)編碼器,可定制增量型磁電編碼器或絕對值編碼器,精度尺寸均可按客戶的需求來定制,找磁電編碼器廠家就找開地電子。