离轴设计为磁编码器开拓全新应用领域

编码器常用来测量伺服电机系统的转角和转速等相关数据。目前市场上使用的主要有光学编码器和磁编码器两种。与前者相比，磁编码器由于不受污垢、粉尘、油污、冷凝以及其他污染物的影响，近年来得到了市场上越来越多的关注。采用先进设计的磁编码器技术可提供与光学编码器媲美的精度（分辨率），并可在提高系统效率的同时大幅降低生产成本。

1. 引言

在工业自动化领域，以编码器为代表的速度位置传感器正发挥越来越重要的作用。其中，光学编码器因其反应时间快、精密度高而受到大量用户的青睐。然而，这种利用光电信号输出脉冲的设备装置极易受到震动、粉尘、潮湿、温差等环境因素的干扰，从而影响信号输出以及自身的使用寿命。与光学编码器相比，利用磁场和霍尔感应产生信号的磁编码器，对环境适应性更强，系统集成芯片的反馈也更为精确。明显的价值优势使其在高精度测量和控制领域的相关应用中崭露头角。

2. 限制重重的同轴编码器

磁编码器通常采用两种不同的设计。目前，市场上仍以同轴式磁编码器为主流产品。

同轴磁编码器将单对极稀土磁铁安装在旋转轴轴端，利用4-8个霍尔元件形成环形列阵进行感应。相对的两个霍尔传感器以差分放大器连接，每旋转一周便产生一个周期的正余弦信号，通过转换（往往通过DSP芯片运算）为正交或串行位置输入信号。

同轴磁编码器的检测方式成本较低，但对设备安装提出了高要求。磁铁的南北磁极中点、芯片中心和电机轴端中心必须保持在同一直线上，因为任何安装上的错误都会降低编码器的准确性。但在实际应用中，不仅电机轴的径向抖动无法避免，芯片和磁铁的相对位移造成的偏差也会影响实际输出信号的精准度。另外，同轴设计需要从1个周期内插到最终分辨率的高倍率内插，一旦转速超过一定范围就无法准确读取逐点的位置信息，从而导致实际输出的准确性降低。出于上述原因，同轴式磁编码器长期以来一直集中在相对较低端的应用领域。

图1：同轴式（左）与离轴式（右）磁编码器

3. 开创突破性离轴设计

随着技术的不断革新，磁编码器如今已在很大程度上拥有堪比光学编码器的性能，特别是具有突破性意义的离轴设计的出现，为磁编码器在更广阔的应用领域创造了一展身手的机会。作为这一领域的佼佼者，铁姆肯公司的Timken®离轴式磁编码器为实际应用解决了例如校准等难题。

Timken®离轴式磁编码器采用多磁对极码盘，芯片安装位置偏离旋转轴中心。在运行过程中，每一对极都会产生一个周期的正余弦信号，并通过硬件内插器转换成正交或者串行位置信号。当电机轴旋转起来后，芯片内部霍尔元件在径向范围内感应到的磁场强度保持不变，电机轴的径向抖动（只要在霍尔感应磁场的径向范围内）也不会影响霍尔感应输出信号的精准度。因此，只要在实际安装过程中确保芯片位置和径向安装距离（跟磁对极间距有关），就能确保输出信号的准确性。

图2：4%误差的内插器

离轴式磁编码器的精度提高，还与其码盘直径和磁对极数的改变有关。在机械增益效果下，同轴编码器直径越小磁极误差越大，而离轴编码器直径越大磁极误差越小。如图2所示的内插器精度增益方面，同轴设计直接显示为1：1，而离轴式误差以磁对极倍数减少。如果离轴式设计含32对极，只需从每对极得到分辨率为1/32的低倍率内插即可，相比之下同轴设计则需要从整个周期内插到最终分辨率的高倍率内插。

另外，同轴式编码器通常以DSP芯片内插处理正余弦信号，虽然倍数较高但往往需要更长的响应时间。离轴式编码器只需低倍率的硬件内插器即可，即使在主轴转速超过10000rpm的情况下也能正常工作，稳定性堪称一流。

同轴式与离轴式编码器在径向和公差范围内的全面测试结果图3所示。实验对比了来自不同厂家的三种同轴式编码器，结果显示Timken®离轴编码器的误差明显小于这三种同轴式编码器。而在安装过程中芯片未得到正确放置的情况下，离轴编码器的误差也比同轴式更小。

图3：误差的测量结果

Timken®离轴式磁性编码可以实现主流光学增量编码器0-5000脉冲/圈甚至更高的分辨率。凭借专利的充磁磁场检测处理技术，铁姆肯公司能够根据客户要求，灵活设计和生产在0.8mm-4mm范围内不同规格磁间距的码盘，再配合芯片感应满足各种实际应用需求。

4. 轻松应对恶劣工况

光学编码器码盘普遍采用金属、玻璃、塑料等材质。在实际安装中，码盘与光敏电阻的距离极小，任何轴向窜动都可能损坏编码器。例如在纺织行业，剑杆织机的震动使得电机轴始终处于晃动状态，而导致光学编码器的使用寿命明显缩短。频繁的更换不仅对提高系统效率无益，还会带来极大的成本压力。同时，受光电传感技术的限制，生产过程中的粉尘、织物碎屑极易污染光源发射，造成光学编码器在恶劣环境中适应力较差。而磁编码器不依靠光源，磁对极产生的磁场不受污染物影响，码盘极其坚固，因而使用寿命往往是光学编码器的数倍。此外，由于具有抗振动、耐腐蚀、抗污染、抗干扰和宽温度等特性，磁编码器可应用于众多传统光学编码器不能适应的领域。

目前，在国外市场，铁姆肯公司Timken®离轴式磁编码器已成功应用于闭环步进系统和汽车EPS转向系统等领域；在国内，注塑机、木工雕刻机、纺织机械、防水电机等对环境要求较为严苛的工业领域都是磁编码器的应用范围。包括高速公路ETC自动栏杆机、动感影院、旋转舞台、移动喷泉、电动叉车等对位置控制有要求的通用领域，以及长期暴露在温差较大环境下的场合也非常适用离轴式磁编码器。

5. 可观的成本效益

在恶劣工况下，光学编码器为避免污染必须进行封装，而分体式的磁编码器不含轴承、电路板、支架等配件，可为用户减少封装成本。另外，普通的光学编码器安装空间至少为30-40mm，而离轴式磁编码器在完成安装后，仅占约12-14mm空间，通过更加紧凑的结构进一步转换为可观的成本效益。

近年来，全球磁编码器市场正在逐步扩大。根据《中国仪器十二五规划》，到2020年，仅增量型编码器的产业规模就将达到500亿元。不断扩大的市场容量也预示着磁编码器尤其是离轴式磁编码器巨大的发展潜力。凭借可靠的磁编技术、极强的环境适用性和明显的成本优势，离轴磁编码器将进入越来越多应用领域，作为光学编码器的一项补充技术，为客户带来更丰富和更明确的产品选择。