磁性編碼器的工作原理及特點

磁旋轉編碼器是一種基于新型磁敏感元件的檢測裝置。盡管市場上光電編碼器很常見，但磁旋轉編碼器憑借其轉速高、易用性好、抗震性強、易于調整和安裝維護，以及成本低廉等優勢，成為了普通精度應用場合的理想選擇。

磁性編碼器的工作原理

磁性編碼器主要由磁阻傳感器、磁鼓和信號處理電路組成。磁鼓上刻有等間距的小磁極，當磁鼓旋轉時，會產生周期分布的空間磁場。磁阻傳感器通過磁電阻效應，將這些變化的磁場信號轉化為電阻阻值的變化，進而在外加電勢的作用下，轉化為電壓的變化。經過信號處理電路的處理，這些模擬電壓信號被轉化為計算機可以識別的數字信號，從而實現了編碼功能。


磁性編碼器主要由磁阻傳感器、磁鼓和信號處理電路組成示意圖

磁電阻效應

磁電阻效應是磁旋轉編碼器工作的基本物理機理。簡單來說，當通電導體或半導體在外部磁場的作用下，其內部的載流子會受到洛倫茲力的作用，導致其運動軌跡發生變化，進而引起物質內部的電位差發生變化。這種變化宏觀上表現為磁阻阻值隨外部磁場的變化而變化。

磁性編碼器具有以下優點：

易于小型化，價格低廉。
結構簡單，調試、安裝簡便。
抗干擾能力強，適合長線輸出。
結構緊湊，轉速高，響應速度快，抗震動等級高。
元件可排列組合，實現新功能和多功能。
封閉結構，防塵、防油，不易受外界污染影響。
磁鼓與磁阻傳感器


圖為磁性編碼品的磁鼓表面的磁極分布圖

磁鼓的充磁是為了使磁鼓上的小磁極被磁化。當磁鼓隨著電動機旋轉時，會產生周期變化的空間磁場，作用于磁電阻之上，實現編碼功能。磁鼓磁極的個數決定了編碼器的分辨率，而磁鼓磁極的均勻性和剩磁強弱則是影響編碼器結構和輸出信號質量的重要參數。


圖為磁阻傳感器構成半橋串聯網絡示意圖

磁阻傳感器由磁阻敏感元件制成，為了提高信號采樣的靈敏度，通常會在充磁間距內刻蝕兩個位相差為π/2的條紋，構成半橋串聯網絡。為了提高編碼器的分辨率，還可以在磁頭上并列多個磁阻敏感元件，通過磁鼓的旋轉輸出相應的正弦波信號。

磁阻元件構成的磁阻傳感器等效圖


從磁阻傳感器輸出的兩路波形

信號處理電路

信號處理電路負責將磁阻傳感器輸出的正弦波信號（如SinA、SinB）進行處理，以計算出旋轉位置和速度。通常需要對信號進行DC電壓準位調整、模擬濾波、數字濾波等處理，以確保信號在CPU取樣的范圍內。另外，還可以將正弦波信號直接轉換為方波信號再進行處理，這樣可能更方便軟件處理。

內部結構與工作原理

磁性旋轉編碼器的內部結構圖

拆開磁性旋轉編碼器，你會看到它由一個跟隨軸旋轉的小磁鐵和一個PCB線路板組成。這個小磁鐵就是磁鼓，而PCB線路板上則安裝了磁阻傳感器和信號處理電路。當磁鼓旋轉時，磁阻傳感器會檢測到磁場的變化，并將這些變化轉化為電信號輸出給信號處理電路進行處理。

磁電阻效應，這是磁旋轉編碼器工作的一個基本物理原理。說簡單點兒，就是當電流通過導體或半導體時，如果外部有磁場，那導體或半導體內部的電荷就會受到一個叫洛倫茲力的東西的作用，這會使得它們的運動軌跡發生變化。而這種變化，會讓物質內部的電位差也跟著變。所以，從宏觀上看，就是磁阻的阻值會隨著外部磁場的變化而變化。這就是磁電阻效應的基本原理。

那么，磁性編碼器是如何測量旋轉位置反饋的呢？

首先，我們來了解一個基礎的電磁學現象。


一個經典的物理學（確切說是電磁學）現象示意圖

想象一下，有一個扁平的長方形導體，我們在它的兩端給它加上電壓，這樣電流就會在它里面流動，比如沿著長的方向。


磁場感應產生的洛倫茲力而發生流通路徑示意圖

現在，如果我們再給這個通電的導體加上一個磁場，這個磁場的方向是與導體平面垂直的。這時，導體上的電荷會受到磁場的影響，導致它們的流動路徑發生變化，也就是“跑偏”了。


磁場中的電荷流動方向示意圖

根據我們中學學到的左手定則，我們可以知道電荷“跑偏”的方向。而且，正電荷和負電荷在磁場中“跑偏”的方向是相反的。所以，當電流通過這個處在磁場中的導體時，正負電荷會分別沿著不同的路徑流過。


霍爾效應示意圖

這時，在導體的兩側，也就是與電流流動方向垂直的地方，會產生一個電勢差。

這就是霍爾效應，是一個名叫Edwin Herbert Hall的物理學家在1879年發現的。


磁場繞著電流流動的方向旋轉示意圖

接下來，如果我們讓這個磁場繞著電流流動的方向旋轉，就像上面圖中的箭頭所示，那么霍爾電勢差就會隨著磁場與導體之間角度的變化而變化。這個電勢差的變化趨勢，其實和之前說的線圈旋轉時輸出的電壓變化很像，都是一條正弦曲線。

基于這個電勢差的變化，我們就可以反推出磁場旋轉的角度，從而知道旋轉的位置。

這就是磁性編碼器測量旋轉位置反饋的基本原理啦！磁性編碼器通過磁電阻效應和信號處理電路實現了對旋轉位置的精確測量和編碼功能。它以其獨特的工作原理和優勢，在工業自動化、機器人技術、醫療設備等領域得到了廣泛應用。


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