5-1,磁编码器的结构

编码器基础五:电磁编码器的原理和优点-木子李笔记
图5-1。电磁编码器图

磁性编码器检测旋转位置信息作为磁场的变化,并将其转换为电信号,然后输出。最简单的磁编码器由永磁体和磁传感器组成。永磁体被附接到诸如马达轴的旋转体的末端,并且磁传感器在其接收到由永磁体产生的磁场的位置处被安装在PCB板上的状态下被固定。当安装在电机轴上的永磁体旋转时,由磁传感器检测到的磁场方向发生变化,结果编码器检测到电机轴的旋转位置和速度。

在下文中,我们将详细说明使用由称为霍尔元件的磁传感器和永磁体组成的磁编码器将磁场分布的变化转换为角度信息之前的工作原理。霍尔元件是一种磁性传感器,利用霍尔效应现象来输出与磁场强度成比例的电压。

◆霍尔元素

磁编码器中使用的霍尔元件由半导体材料制成。霍尔元件中使用的半导体材料主要是化合物半导体,例如高灵敏度的铟锑(InSb),具有稳定温度特性的砷化镓(GaAs)和具有良好平衡的灵敏度和温度特性的砷化铟(InAs)。而且,也使用可以安装在IC芯片上的硅(Si)。另外,有两种可以检测垂直方向上的磁场强度的霍尔元件和可以检测水平方向上的磁场强度的霍尔元件。(有关霍尔元件的详细说明,如果您有兴趣,请参阅“磁传感器的基本知识”。)

◆永磁体

磁性编码器通常使用圆柱形永磁体。永磁体有两种类型的磁化方向:径向和平面方向(或轴向)。只要满足用作编码器的磁通密度的条件,就可以自由选择磁性材料和尺寸。通常,根据目的选择具有良好温度特性的sa钴(SmCo)基磁体,适合小型化和轻量化的钕(Ne-Fe-B)基磁体以及廉价的基于铁氧体的磁体。 。

磁性编码器的理想位置是旋转轴,永磁体和霍尔元件的中心在同一条直线上。这种配置称为“轴端配置”。但是,即使使用轴端配置,实际上也存在轻微的位置误差,称为“未对准”。当霍尔元件未对准时,由霍尔元件检测到的磁场强度改变,从而导致角度检测精度的误差。完全消除未对准是非常困难的。但是,在轴端构造中,霍尔元件放置在水平磁场均匀的区域中,因此,如果霍尔元件检测到水平磁场的强度,则可以减少未对准的影响

如果由于侧面泄漏的磁场对周围设备产生不利影响而要减小泄漏磁场,请使用在平面方向上磁化的永磁体。然而,与沿径向磁化的磁体相比,沿水平方向的均匀磁场的面积变窄,因此由于未对准而导致的角度误差相对较大。

这样,轴端构造的优点在于,可以通过组合在径向方向上磁化的磁体和检测水平磁场强度的霍尔元件来容易地实现对失准具有鲁棒性的编码器。实际上,也存在离轴配置的使用,其中霍尔元件放置在与轴端不同的位置,但是将在后续部分中详细说明。

在下文中,我们将说明由沿径向磁化的磁体和检测水平磁场强度的霍尔元件组成的磁编码器的原理。

5-2。磁编码器原理

◆根据磁场变化检测旋转运动并将其转换为电信号

当电动机轴旋转时,由附着在轴末端的永磁体产生的磁场也会旋转。此时,磁场在旋转轴中心附近的区域以恒定的强度旋转。霍尔元件检测磁场分布的这种变化并将其转换为电信号。霍尔元件是一种磁传感器,只能检测单个方向上的磁场强度。因此,为了检测XY旋转平面的旋转位置,需要用于检测X轴分量(Bx)的强度的霍尔元件和用于检测Y轴分量(By)的强度的霍尔元件。

◆将霍尔元件的电信号转换为角度信息

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图5-6a。
X轴分量(Bx)和Y轴分量(By)的磁场

通过霍尔元件转换为电信号的X轴分量和Y轴分量的磁场信息通过AD转换器被转换为数字信号。此外,将其发送到运算电路,并使用三角函数将其转换为角度信息。通过合成彼此正交的X轴分量和Y轴分量而获得的平面图形被称为李沙育图形(或李沙育波形)。在没有错位的“轴端”配置下,旋转磁场的强度不变,因此李沙育图形绘制了一个理想的圆。因此,由三角函数转换的角度输出结果具有零误差。另外,即使检测水平磁场强度的霍尔元件未对准。

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图5-6b。
磁场强度的李沙育图

当X轴分量是Bx并且Y轴分量是By时,可以通过计算arctan(By / Bx)来获得旋转角θ作为绝对角。可以使用第3部分介绍的绝对方法进行输出。也就是说,磁性编码器本质上是绝对角度感应编码器。另外,通过将绝对角度信息转换为A相,B相和Z相信息,可以以增量方法/伪绝对方法将其作为脉冲信号输出。此时,如果绝对角度信息的分辨率足够高,则可以输出任何分辨率的脉冲信号,例如360 ppr,1000 ppr,2500 ppr,4000 ppr。

◆旋转角度传感器IC

旋转角度传感器IC是一种电子组件,其中包含了所有磁性传感器,AD转换器和角度计算电路,这些都是磁性编码器的必要组件。可以实现具有旋转角传感器IC和永磁体的非常简单的结构的小型磁性编码器。它被广泛用于消费,工业和汽车应用。

5-3。电磁编码器的优势和应用

由于磁性编码器具有检测磁场变化的机制,因此具有在灰尘,油,水等污染的环境中坚固耐用的出色优势。因此,它适合在灰尘多的环境中使用,油和水。例如,磁性编码器用于具有许多皮棉的环境中使用的工业缝纫机,以及用于切割油和水的飞溅环境中的机床。

另一个优点是可以用非常简单的旋转角度传感器IC和永磁体的结构来制造输出绝对角度的编码器。因此,它适用于要求体积小,重量轻和高可靠性的应用。例如,它用在使用小直径电机的机床和需要耐用性的工厂自动化机器中。

通常,光学编码器用于要求高精度和高分辨率的应用中,而磁编码器用于重视环境鲁棒性,小尺寸和高可靠性的应用中。但是,由于最新的磁性编码器具有更高的精度和分辨率,并且与空心通轴兼容,因此磁性编码器已开始在光学编码器所占据的市场中使用。