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磁电旋转编码器是怎样工作的?【图】
发布时间:2019-03-19
发布者:
浏览次数:231次

磁电旋转编码器是怎么工作的?编码器是如何测量旋转位置反馈的呢?


升威磁电编码器性能不易受尘埃和结露的影响;其结构简单紧凑,无触点、长寿命、耐高低温、抗振动、响应速度快。成本较低。

如果有机会拆开一只磁性旋转编码器,通常会看到类似上图这样的内部结构。与一般的编码器(或 Resolver)相比,磁性编码器有着相同的机械轴与外壳结构,但同时其位置检测机构却又显得非常简单,仅仅是安装在机械轴末端跟随轴旋转的一块小磁铁和编码器尾部的一块 PCB 线路板而已。

那么,磁性编码器是如何测量旋转位置反馈的呢?

让我们先来看一个经典的物理学(确切说是电磁学)现象。

如上图所示,在扁平长方形导体两端施加电压,让其在一个方向上(如长的方向)产生电流。

此时,如果在通电导体上再施加一个方向与导体平面垂直的磁场(如上图所示),那么,导体上流动的电荷就会因为受到由磁场感应产生的洛伦兹力而发生流通路径的偏移。

根据中学物理课学过的左手定则,可以判断出电荷流动时偏移的方向,并且正负电荷在磁场中流通时偏移的方向是相反的。这就是说,当有电流流经磁场中的这个扁平导体时,其正负电荷会分别沿着左右两条路径从中穿过。

此时,在导体的两侧,也就是在其垂直于电流流过的方向上,就会有电势差产生。

这就是霍尔效应(Hall Effect),是由一位名叫 Edwin Herbert Hall 的物理学家在 1879 年发现的。

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.

当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力,从而在垂直于导体与磁感线的方向上产生电势差。

接下来,如果让施加在这个导体上的磁场以电流流经路径为轴线,按照上图箭头所示的方向旋转,那么这个霍尔电势差就会因为磁场与导体之间角度的改变而发生变化,而这个电势差的变化趋势,与之前一文中次级线圈旋转时的输出电压一样,是一条正弦曲线。因此,基于这个通电导体两侧的电压,就可以反推计算出磁场旋转的角度了。

这就是磁性编码器测量旋转位置反馈时的基本工作机理了。

与旋转变压器使用两组相互垂直的输出线圈的原理相仿,在磁性编码器中也需要使用电流方向相互垂直的两个(或两对)霍尔感应元件,以确保磁场旋转位置与输出电压(组合)之间的唯一对应关系。

为了获得较强的霍尔效应,霍尔元件可用多种半导体材料制作,如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。

不过,即便是由专门的半导体材料制作的霍尔元件,其本身能够输出的电压和能量也都是非常有限的。

因此,需要在霍尔元件的输出端集成信号调节放大回路,这就是我们所熟知的霍尔传感器了。

现在磁性编码器上用的霍尔传感器(芯片),一般都有着极高的集成度,不仅将霍尔半导体元件和相关的信号处理和调节电路整合在一起,同时还可以集成各种不同类型的信号输出模块,例如:正余弦模拟量信号、方波数字电平信号或者总线通讯输出单元。

这样,在编码器旋转轴末端装上一块产生磁场的永磁体,将上面所说的霍尔传感器芯片,置于一块 PCB 线路板上,按照一定的要求(方向和距离)靠近编码器轴末端的这块永磁体,通过解析从霍尔传感器经 PCB 线路板输出的电压信号,就能够识别出编码器转子的旋转位置了。这也就是我们在片头时所看到的典型的磁性编码器的位置检测机构了。

可以看到,相比传统的光学编码器,磁性编码器不需要有复杂的码盘和光源,元器件数量更少,检测结构更加简单;同时,霍尔元件本身也具有许多优点,例如:结构牢固、体积小、重量轻、寿命长,耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀...等等。

因此,和 Resolver 一样,磁性编码器在使用时也有着相对比较高的可靠性,结实、耐用,适合应用在一些比较恶劣的设备环境中,如风电、工程机械领域...等等。

如果将磁性编码器技术应用于电机的旋转位置反馈,则可以将编码器的永磁体直接安装在电机轴的末端,从而省去了用传统反馈编码器时所需的过渡联接轴承(或联轴器),做到无接触式的位置测量,这样就降低了电机运行过程中因机械轴振动而造成编码器失效(甚至损坏)的风险,有助于提升电机运行的稳定性。

当然,磁性编码器也还是有着一些特定的短板的。例如:容易受到电磁干扰、需要采取补偿和保护措施避免温度漂移...

而这其中最主要的,就是它(相对光学编码器较低)的精度和分辨率了。目前,一般的磁性编码器可以达到单圈 13 位的分辨率,尽管某厂家在这方面已经能够实现单圈 17 位的分辨率了,但这也只不过是光学编码器已经达到的比较普通的级别而已。所以,现在的磁性编码器比较适合的应用场景,或许是一些比较通用的位置和速度检测环节,而并非是那些高性能的传动和运动控制系统,尤其是传动控制环反馈。

磁性编码器另一个经常被大家诟病的缺点,就是其较慢的响应速度,不能胜任高速运动负载的位置反馈,加上它(相对光学编码器)较低的精度和分辨率,磁性编码器一直被认为不太适合作为伺服电机内的集成位置反馈元件;此外,作为伺服编码器,还有一个必须要解决的问题,就是多圈位置反馈...


广东升威电子专业生产磁电编码器,光电编码器,无接触的光电信号输出方式,信号稳定,使用寿命长,旋转手感柔和,产品带按压开关功能。找旋转编码器厂家就找升威电子.

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