磁性编码器的工作原理

磁性编码器的工作原理

2019-06-05 09:43:44

磁性编码器的工作原理

   磁旋转编码器是一种以新型磁敏感元件为基础的检测装置。尽管在目前市场上的编码器中,光电编码器占 有很大的份额,但由于磁旋转编码器转速高、易用性好、可高度抗震、易于调整和安装维护,加上其成本低 廉,因此成为了替代旋变的普通精度场合的一种较佳选择。

    磁性编码器主要部分由磁阻传感器、磁鼓、信号处理电路组成。将磁鼓刻录成等间距的小磁极,磁极被磁 化后,旋转时产生周期分布的空间漏磁场。磁传感器探头通过磁电阻效应将变化着的磁场信号转化为电阻阻值 的变化,在外加电势的作用下,变化的电阻值转化成电压的变化,经过后续信号处理电路的处理,模拟的电压 信号转化成计算机可以识别的数字信号,实现磁旋转编码器的编码功能。

   磁电阻效应是磁旋转编码器工作的基本物理机理。磁电阻效应广泛存在于金属和半导体中。其来源于通电 导体或半导体内部载流子,因受到外部洛仑兹力的作用,使其运动轨迹发生偏转或产生螺旋运动,从而导致物 质内部的电位差发生变化。宏观表现为随着外磁场的变化,磁阻的阻值也发生相应的变化。       优点: 

   1.易于小型化,价格低廉。  2.结构简单,调试方便,安装简便。  3.线驱动输出型,抗干扰能力强,适合长线输出。  4.结构紧凑,转速高,响应速度快,抗震动等级高。  5.元件可进行排列组合,构成新功能和多功能器件。  6.封闭结构,可防尘、防油,不易受外界污染的影响。  磁鼓充磁的目的是使磁鼓上的一个个小磁极被磁化,这样在磁鼓随着电动机旋转时,磁鼓能产生周期变化的空间漏 磁,作用于磁电阻之上,实现编码功能。磁鼓磁极的个数决定着编码器的分辨率,磁鼓磁极的均匀性和剩磁强弱是决定 编码器结构和输出信号质量的重要参数。

    磁阻传感器是磁阻敏感元件做成,磁阻器件可以分为半导体磁阻器件和强磁性磁阻器件。为了提高信号采 样的灵敏度,同时考虑到差动结构对敏感元件温度特性的补偿效应,一般在充磁间距λ内,刻蚀2个位相差为丌 /2的条纹,构成半桥串联网络。

    同时,为了提高编码器的分辨率,可以在磁头上并列多个磁阻敏感元件,在加电压的情况下,磁阻元件通 过磁鼓旋转输出相应正弦波。其原理可简单解释:磁鼓产生NS的磁场作圆周运动,磁阻元件做成的传感器随磁 场变化电阻也随之变化,并感测出SinA,SinB两个电压波形。磁阻传感器的构造如图,由8个磁阻分为两组相 距1/4 NS间距。在Mr1,Mr2与Mr3,Mr4的接点处可检出Sin电压波形,同样原理在Mr1‘,Mr2‘与 Mr3‘,Mr4‘的接点处可检出SinB电压波形。

   从磁阻传感器输出的两路波形信号处理电路:SinA,SinB信号到达信号处理电路后,为了能在cpu取样的范围内,需对波形进行调整。 首先AB相信号需先做DC电压准位调整,使AB相信号直流准位位于DSP A/D取样电压范围的中点,且振幅不超 过取样电压范围,AB相信号再经过模拟滤波器及数字滤波器,将高频及谐波滤除后,通过DSP高速运算能力实 时地将计算出位置和速度;另外还有一种处理方法是将SinA、SinB信号直接通过信号处理电路转换成方波后再 进DSP。后者可能软件处理起来更方便一些。

  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?

    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。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。

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