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磁電旋轉編碼器是怎樣工作的?【圖】
發布時間:2019-03-19
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磁電旋轉編碼器是怎么工作的?編碼器是如何測量旋轉位置反饋的呢?


升威磁電編碼器性能不易受塵埃和結露的影響;其結構簡單緊湊,無觸點、長壽命、耐高低溫、抗振動、響應速度快。成本較低。

如果有機會拆開一只磁性旋轉編碼器,通常會看到類似上圖這樣的內部結構。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構,但同時其位置檢測機構卻又顯得非常簡單,僅僅是安裝在機械軸末端跟隨軸旋轉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位置反饋的呢?

讓我們先來看一個經典的物理學(確切說是電磁學)現象。

如上圖所示,在扁平長方形導體兩端施加電壓,讓其在一個方向上(如長的方向)產生電流。

此時,如果在通電導體上再施加一個方向與導體平面垂直的磁場(如上圖所示),那么,導體上流動的電荷就會因為受到由磁場感應產生的洛倫茲力而發生流通路徑的偏移。

根據中學物理課學過的左手定則,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,當有電流流經磁場中的這個扁平導體時,其正負電荷會分別沿著左右兩條路徑從中穿過。

此時,在導體的兩側,也就是在其垂直于電流流過的方向上,就會有電勢差產生。

這就是霍爾效應(Hall Effect),是由一位名叫 Edwin Herbert Hall 的物理學家在 1879 年發現的。

The Production of potential difference across a conductor carrying on electric current when a magnetic field is applied in the direction perpendicular to the that of current flowing.

當電流通過一個位于磁場中的導體的時候,磁場會對導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的的作用力,從而在垂直于導體與磁感線的方向上產生電勢差。

接下來,如果讓施加在這個導體上的磁場以電流流經路徑為軸線,按照上圖箭頭所示的方向旋轉,那么這個霍爾電勢差就會因為磁場與導體之間角度的改變而發生變化,而這個電勢差的變化趨勢,與之前一文中次級線圈旋轉時的輸出電壓一樣,是一條正弦曲線。因此,基于這個通電導體兩側的電壓,就可以反推計算出磁場旋轉的角度了。

這就是磁性編碼器測量旋轉位置反饋時的基本工作機理了。

與旋轉變壓器使用兩組相互垂直的輸出線圈的原理相仿,在磁性編碼器中也需要使用電流方向相互垂直的兩個(或兩對)霍爾感應元件,以確保磁場旋轉位置與輸出電壓(組合)之間的唯一對應關系。

為了獲得較強的霍爾效應,霍爾元件可用多種半導體材料制作,如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多層半導體異質結構量子阱材料等等。

不過,即便是由專門的半導體材料制作的霍爾元件,其本身能夠輸出的電壓和能量也都是非常有限的。

因此,需要在霍爾元件的輸出端集成信號調節放大回路,這就是我們所熟知的霍爾傳感器了。

現在磁性編碼器上用的霍爾傳感器(芯片),一般都有著極高的集成度,不僅將霍爾半導體元件和相關的信號處理和調節電路整合在一起,同時還可以集成各種不同類型的信號輸出模塊,例如:正余弦模擬量信號、方波數字電平信號或者總線通訊輸出單元。

這樣,在編碼器旋轉軸末端裝上一塊產生磁場的永磁體,將上面所說的霍爾傳感器芯片,置于一塊 PCB 線路板上,按照一定的要求(方向和距離)靠近編碼器軸末端的這塊永磁體,通過解析從霍爾傳感器經 PCB 線路板輸出的電壓信號,就能夠識別出編碼器轉子的旋轉位置了。這也就是我們在片頭時所看到的典型的磁性編碼器的位置檢測機構了。

可以看到,相比傳統的光學編碼器,磁性編碼器不需要有復雜的碼盤和光源,元器件數量更少,檢測結構更加簡單;同時,霍爾元件本身也具有許多優點,例如:結構牢固、體積小、重量輕、壽命長,耐震動,不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕...等等。

因此,和 Resolver 一樣,磁性編碼器在使用時也有著相對比較高的可靠性,結實、耐用,適合應用在一些比較惡劣的設備環境中,如風電、工程機械領域...等等。

如果將磁性編碼器技術應用于電機的旋轉位置反饋,則可以將編碼器的永磁體直接安裝在電機軸的末端,從而省去了用傳統反饋編碼器時所需的過渡聯接軸承(或聯軸器),做到無接觸式的位置測量,這樣就降低了電機運行過程中因機械軸振動而造成編碼器失效(甚至損壞)的風險,有助于提升電機運行的穩定性。

當然,磁性編碼器也還是有著一些特定的短板的。例如:容易受到電磁干擾、需要采取補償和保護措施避免溫度漂移...

而這其中最主要的,就是它(相對光學編碼器較低)的精度和分辨率了。目前,一般的磁性編碼器可以達到單圈 13 位的分辨率,盡管某廠家在這方面已經能夠實現單圈 17 位的分辨率了,但這也只不過是光學編碼器已經達到的比較普通的級別而已。所以,現在的磁性編碼器比較適合的應用場景,或許是一些比較通用的位置和速度檢測環節,而并非是那些高性能的傳動和運動控制系統,尤其是傳動控制環反饋。

磁性編碼器另一個經常被大家詬病的缺點,就是其較慢的響應速度,不能勝任高速運動負載的位置反饋,加上它(相對光學編碼器)較低的精度和分辨率,磁性編碼器一直被認為不太適合作為伺服電機內的集成位置反饋元件;此外,作為伺服編碼器,還有一個必須要解決的問題,就是多圈位置反饋...


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