磁编码器原理与方案

news2025/2/25 15:23:36

系列文章目录

1.元件基础
2.电路设计
3.PCB设计
4.元件焊接
5.板子调试
6.程序设计
7.算法学习
8.编写exe
9.检测标准
10.项目举例
11.职业规划

文章目录

前言
一、磁编码器
二、多极磁编
三、绝对值磁编
四、单极对磁编
五、磁游标编码器
六、磁刻线编码器
七、磁编码器优点
八、磁编码器选择

前言

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磁编码器为近些年应用越来越广的编码器，其拥有多种测量原理与方案，以下主要论述市场现有的技术方案。

一、磁编码器

磁编码器的动件是磁性物质，其载体可以是铁氧体、钕铁硼、钐钴等磁性材料。
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而在介绍磁编码器用磁铁之前，需要提到的是：磁铁的图案充磁。日常我们见到的磁铁往往是拥有一个N极与S极的，其是使用最基础的充磁方案制作出来的，而在更多复杂的应用中，为了得到更高的性能，磁铁常常拥有更复杂的充磁图形。如下列出一些形态各异的充磁图形，其是由磁粉制作成磁载体后，使用定制图形的充磁夹具对其进行充磁。

如下面各异的图形充磁：

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而对于编码器来说，其为精确反馈位置的装置，所以它的图案一般拥有特殊的数据格式，如下面这几个编码器用的：

二、多极磁编

下图为128极平面充磁的磁环磁场分布图，与该磁环的充磁原理图：
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由于其为平面充磁，磁场的主要回路方向为该图垂直方向，所以我们将一线性霍尔芯片放于磁环平面上，当其绕法向中心旋转时，则可以从霍尔中得到以下波形：

128极，则为64对NS极，会产生64个弦波周期，则在旋转编码器中，其旋转一周只能得到相对的角度变化，这样的磁编码器主要用于增量编码器，无法得到一圈中的绝对位置数据。

在运动的过程中，与传统编码器一样，为了得到运行的方向，则需要产生一个相位差90˚的波形，则只需在上一线性霍尔磁位角90度方向上再放置一颗线性霍尔即可。

三、绝对值磁编

而为了得到绝对角度数据，则需改进编码器原理，主要有以下方法：
单对极磁铁
磁游标细分
磁刻线细分

四、单极对磁编

单对极磁铁，则是拥有一对NS极的磁铁，与上面128极的磁环不同，其产生的磁场只拥有一个周期，当我们使用两个线性霍尔来读取时，两个线性霍尔放置相差90˚，与磁环的磁位角90˚对齐，如下图，其磁场旋转强度变化如下：
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下图为两个霍尔测到的表磁大小：

而两个霍尔分别得到了一个周期的磁场强度波形，而两个正交的波形则可以使用arctan(y1,y2)来得到其于360˚中的唯一对应值，则在使用过程过，得到某一刻的y1，y2值，通过计算出该值以对应当前磁环所在的角度。

五、磁游标编码器

单对极磁编码器其物理精度有限，当需要更高精度时，则需要进行物理继分，如上面128极磁环那样，但如果只是有128极，是没法得到一圈中的绝对角度的，这时，游标方案则可以在实现更高分辨率的同时实现绝对角度的测量。
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游标方案使用两条磁码道进行测量，每条码道由多个NS极充磁组成，则在每一对NS产生的磁场上，我们可以通过单对极的同样原理得到该对极角度范围内的绝对定位，但是如何定位全局角度定位呢，奥秘就在于内外圈NS极对数的数量。

图中的外圈由32对磁极组成，内圈由31对磁极组成，在每一个径向方向上，其内外圈的磁感应强度差都都是不同的，而正是这个差值，使得了成为定位圆周位置的数据来源。

对于单对极来讲，游标方案拥有更高的物理精度与分辨率。

六、磁刻线编码器

图为磁刻线环的一部分
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磁刻线则是使用了相比游标更精密的方案，其将磁铁充磁为很多条细线，而细线的宽度均不同，以NS代表产生的磁场磁化方向代表0、1，该编码是一种头尾相连的编码方式，一定宽度内可以得到不同的编码，其需要大量而密集的霍尔对磁线进行读取，得到当前的编码器的粗绝对位置，如上面的游标中粗分为32份一样，再根据区域内的磁场总失量来得到更为精细的物理角度。