磁性编码器的工作原理及特点

磁性编码器的工作原理及特点

磁旋转编码器是一种基于新型磁敏感元件的检测装置。尽管市场上光电编码器很常见，但磁旋转编码器凭借其转速高、易用性好、抗震性强、易于调整和安装维护，以及成本低廉等优势，成为了普通精度应用场合的理想选择。

磁性编码器的工作原理

磁性编码器主要由磁阻传感器、磁鼓和信号处理电路组成。磁鼓上刻有等间距的小磁极，当磁鼓旋转时，会产生周期分布的空间磁场。磁阻传感器通过磁电阻效应，将这些变化的磁场信号转化为电阻阻值的变化，进而在外加电势的作用下，转化为电压的变化。经过信号处理电路的处理，这些模拟电压信号被转化为计算机可以识别的数字信号，从而实现了编码功能。


磁性编码器主要由磁阻传感器、磁鼓和信号处理电路组成示意图

磁电阻效应

磁电阻效应是磁旋转编码器工作的基本物理机理。简单来说，当通电导体或半导体在外部磁场的作用下，其内部的载流子会受到洛伦兹力的作用，导致其运动轨迹发生变化，进而引起物质内部的电位差发生变化。这种变化宏观上表现为磁阻阻值随外部磁场的变化而变化。

磁性编码器具有以下优点：

易于小型化，价格低廉。
结构简单，调试、安装简便。
抗干扰能力强，适合长线输出。
结构紧凑，转速高，响应速度快，抗震动等级高。
元件可排列组合，实现新功能和多功能。
封闭结构，防尘、防油，不易受外界污染影响。
磁鼓与磁阻传感器


图为磁性编码品的磁鼓表面的磁极分布图

磁鼓的充磁是为了使磁鼓上的小磁极被磁化。当磁鼓随着电动机旋转时，会产生周期变化的空间磁场，作用于磁电阻之上，实现编码功能。磁鼓磁极的个数决定了编码器的分辨率，而磁鼓磁极的均匀性和剩磁强弱则是影响编码器结构和输出信号质量的重要参数。


图为磁阻传感器构成半桥串联网络示意图

磁阻传感器由磁阻敏感元件制成，为了提高信号采样的灵敏度，通常会在充磁间距内刻蚀两个位相差为π/2的条纹，构成半桥串联网络。为了提高编码器的分辨率，还可以在磁头上并列多个磁阻敏感元件，通过磁鼓的旋转输出相应的正弦波信号。

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

信号处理电路负责将磁阻传感器输出的正弦波信号（如SinA、SinB）进行处理，以计算出旋转位置和速度。通常需要对信号进行DC电压准位调整、模拟滤波、数字滤波等处理，以确保信号在CPU取样的范围内。另外，还可以将正弦波信号直接转换为方波信号再进行处理，这样可能更方便软件处理。

内部结构与工作原理

磁性旋转编码器的内部结构图

拆开磁性旋转编码器，你会看到它由一个跟随轴旋转的小磁铁和一个PCB线路板组成。这个小磁铁就是磁鼓，而PCB线路板上则安装了磁阻传感器和信号处理电路。当磁鼓旋转时，磁阻传感器会检测到磁场的变化，并将这些变化转化为电信号输出给信号处理电路进行处理。

磁电阻效应，这是磁旋转编码器工作的一个基本物理原理。说简单点儿，就是当电流通过导体或半导体时，如果外部有磁场，那导体或半导体内部的电荷就会受到一个叫洛伦兹力的东西的作用，这会使得它们的运动轨迹发生变化。而这种变化，会让物质内部的电位差也跟着变。所以，从宏观上看，就是磁阻的阻值会随着外部磁场的变化而变化。这就是磁电阻效应的基本原理。

那么，磁性编码器是如何测量旋转位置反馈的呢？

首先，我们来了解一个基础的电磁学现象。


一个经典的物理学（确切说是电磁学）现象示意图

想象一下，有一个扁平的长方形导体，我们在它的两端给它加上电压，这样电流就会在它里面流动，比如沿着长的方向。


磁场感应产生的洛伦兹力而发生流通路径示意图

现在，如果我们再给这个通电的导体加上一个磁场，这个磁场的方向是与导体平面垂直的。这时，导体上的电荷会受到磁场的影响，导致它们的流动路径发生变化，也就是“跑偏”了。


磁场中的电荷流动方向示意图

根据我们中学学到的左手定则，我们可以知道电荷“跑偏”的方向。而且，正电荷和负电荷在磁场中“跑偏”的方向是相反的。所以，当电流通过这个处在磁场中的导体时，正负电荷会分别沿着不同的路径流过。


霍尔效应示意图

这时，在导体的两侧，也就是与电流流动方向垂直的地方，会产生一个电势差。

这就是霍尔效应，是一个名叫Edwin Herbert Hall的物理学家在1879年发现的。


磁场绕着电流流动的方向旋转示意图

接下来，如果我们让这个磁场绕着电流流动的方向旋转，就像上面图中的箭头所示，那么霍尔电势差就会随着磁场与导体之间角度的变化而变化。这个电势差的变化趋势，其实和之前说的线圈旋转时输出的电压变化很像，都是一条正弦曲线。

基于这个电势差的变化，我们就可以反推出磁场旋转的角度，从而知道旋转的位置。

这就是磁性编码器测量旋转位置反馈的基本原理啦！磁性编码器通过磁电阻效应和信号处理电路实现了对旋转位置的精确测量和编码功能。它以其独特的工作原理和优势，在工业自动化、机器人技术、医疗设备等领域得到了广泛应用。


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