編碼器常用來(lái)測(cè)量伺服電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速等相關(guān)數(shù)據(jù)。目前市場(chǎng)上使用的主要有光學(xué)編碼器和磁編碼器兩種。與前者相比，磁編碼器由于不受污垢、粉塵、油污、冷凝以及其他污染物的影響，近年來(lái)得到了市場(chǎng)上越來(lái)越多的關(guān)注。采用先進(jìn)設(shè)計(jì)的磁編碼器技術(shù)可提供與光學(xué)編碼器媲美的精度（分辨率），并可在提高系統(tǒng)效率的同時(shí)大幅降低生產(chǎn)成本。

1. 引言

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，以編碼器為代表的速度位置傳感器正發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。其中，光學(xué)編碼器因其反應(yīng)時(shí)間快、精密度高而受到大量用戶的青睞。然而，這種利用光電信號(hào)輸出脈沖的設(shè)備裝置極易受到震動(dòng)、粉塵、潮濕、溫差等環(huán)境因素的干擾，從而影響信號(hào)輸出以及自身的使用壽命。與光學(xué)編碼器相比，利用磁場(chǎng)和霍爾感應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)的磁編碼器，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，系統(tǒng)集成芯片的反饋也更為精確。明顯的價(jià)值優(yōu)勢(shì)使其在高精度測(cè)量和控制領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用中嶄露頭角。

2. 限制重重的同軸編碼器

磁編碼器通常采用兩種不同的設(shè)計(jì)。目前，市場(chǎng)上仍以同軸式磁編碼器為主流產(chǎn)品。

同軸磁編碼器將單對(duì)極稀土磁鐵安裝在旋轉(zhuǎn)軸軸端，利用4-8個(gè)霍爾元件形成環(huán)形列陣進(jìn)行感應(yīng)。相對(duì)的兩個(gè)霍爾傳感器以差分放大器連接，每旋轉(zhuǎn)一周便產(chǎn)生一個(gè)周期的正余弦信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換（往往通過(guò)DSP芯片運(yùn)算）為正交或串行位置輸入信號(hào)。

同軸磁編碼器的檢測(cè)方式成本較低，但對(duì)設(shè)備安裝提出了高要求。磁鐵的南北磁極中點(diǎn)、芯片中心和電機(jī)軸端中心必須保持在同一直線上，因?yàn)槿魏伟惭b上的錯(cuò)誤都會(huì)降低編碼器的準(zhǔn)確性。但在實(shí)際應(yīng)用中，不僅電機(jī)軸的徑向抖動(dòng)無(wú)法避免，芯片和磁鐵的相對(duì)位移造成的偏差也會(huì)影響實(shí)際輸出信號(hào)的精準(zhǔn)度。另外，同軸設(shè)計(jì)需要從1個(gè)周期內(nèi)插到最終分辨率的高倍率內(nèi)插，一旦轉(zhuǎn)速超過(guò)一定范圍就無(wú)法準(zhǔn)確讀取逐點(diǎn)的位置信息，從而導(dǎo)致實(shí)際輸出的準(zhǔn)確性降低。出于上述原因，同軸式磁編碼器長(zhǎng)期以來(lái)一直集中在相對(duì)較低端的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1：同軸式（左）與離軸式（右）磁編碼器

3. 開創(chuàng)突破性離軸設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)的不斷革新，磁編碼器如今已在很大程度上擁有堪比光學(xué)編碼器的性能，特別是具有突破性意義的離軸設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，為磁編碼器在更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造了一展身手的機(jī)會(huì)。作為這一領(lǐng)域的佼佼者，鐵姆肯公司的Timken®離軸式磁編碼器為實(shí)際應(yīng)用解決了例如校準(zhǔn)等難題。

Timken®離軸式磁編碼器采用多磁對(duì)極碼盤，芯片安裝位置偏離旋轉(zhuǎn)軸中心。在運(yùn)行過(guò)程中，每一對(duì)極都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期的正余弦信號(hào)，并通過(guò)硬件內(nèi)插器轉(zhuǎn)換成正交或者串行位置信號(hào)。當(dāng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)起來(lái)后，芯片內(nèi)部霍爾元件在徑向范圍內(nèi)感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度保持不變，電機(jī)軸的徑向抖動(dòng)（只要在霍爾感應(yīng)磁場(chǎng)的徑向范圍內(nèi)）也不會(huì)影響霍爾感應(yīng)輸出信號(hào)的精準(zhǔn)度。因此，只要在實(shí)際安裝過(guò)程中確保芯片位置和徑向安裝距離（跟磁對(duì)極間距有關(guān)），就能確保輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。

圖2：4%誤差的內(nèi)插器

離軸式磁編碼器的精度提高，還與其碼盤直徑和磁對(duì)極數(shù)的改變有關(guān)。在機(jī)械增益效果下，同軸編碼器直徑越小磁極誤差越大，而離軸編碼器直徑越大磁極誤差越小。如圖2所示的內(nèi)插器精度增益方面，同軸設(shè)計(jì)直接顯示為1：1，而離軸式誤差以磁對(duì)極倍數(shù)減少。如果離軸式設(shè)計(jì)含32對(duì)極，只需從每對(duì)極得到分辨率為1/32的低倍率內(nèi)插即可，相比之下同軸設(shè)計(jì)則需要從整個(gè)周期內(nèi)插到最終分辨率的高倍率內(nèi)插。

另外，同軸式編碼器通常以DSP芯片內(nèi)插處理正余弦信號(hào)，雖然倍數(shù)較高但往往需要更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。離軸式編碼器只需低倍率的硬件內(nèi)插器即可，即使在主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)10000rpm的情況下也能正常工作，穩(wěn)定性堪稱一流。

同軸式與離軸式編碼器在徑向和公差范圍內(nèi)的全面測(cè)試結(jié)果圖3所示。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了來(lái)自不同廠家的三種同軸式編碼器，結(jié)果顯示Timken®離軸編碼器的誤差明顯小于這三種同軸式編碼器。而在安裝過(guò)程中芯片未得到正確放置的情況下，離軸編碼器的誤差也比同軸式更小。

圖3：誤差的測(cè)量結(jié)果

Timken®離軸式磁性編碼可以實(shí)現(xiàn)主流光學(xué)增量編碼器0-5000脈沖/圈甚至更高的分辨率。憑借專利的充磁磁場(chǎng)檢測(cè)處理技術(shù)，鐵姆肯公司能夠根據(jù)客戶要求，靈活設(shè)計(jì)和生產(chǎn)在0.8mm-4mm范圍內(nèi)不同規(guī)格磁間距的碼盤，再配合芯片感應(yīng)滿足各種實(shí)際應(yīng)用需求。

4. 輕松應(yīng)對(duì)惡劣工況

光學(xué)編碼器碼盤普遍采用金屬、玻璃、塑料等材質(zhì)。在實(shí)際安裝中，碼盤與光敏電阻的距離極小，任何軸向竄動(dòng)都可能損壞編碼器。例如在紡織行業(yè)，劍桿織機(jī)的震動(dòng)使得電機(jī)軸始終處于晃動(dòng)狀態(tài)，而導(dǎo)致光學(xué)編碼器的使用壽命明顯縮短。頻繁的更換不僅對(duì)提高系統(tǒng)效率無(wú)益，還會(huì)帶來(lái)極大的成本壓力。同時(shí)，受光電傳感技術(shù)的限制，生產(chǎn)過(guò)程中的粉塵、織物碎屑極易污染光源發(fā)射，造成光學(xué)編碼器在惡劣環(huán)境中適應(yīng)力較差。而磁編碼器不依靠光源，磁對(duì)極產(chǎn)生的磁場(chǎng)不受污染物影響，碼盤極其堅(jiān)固，因而使用壽命往往是光學(xué)編碼器的數(shù)倍。此外，由于具有抗振動(dòng)、耐腐蝕、抗污染、抗干擾和寬溫度等特性，磁編碼器可應(yīng)用于眾多傳統(tǒng)光學(xué)編碼器不能適應(yīng)的領(lǐng)域。

目前，在國(guó)外市場(chǎng)，鐵姆肯公司Timken®離軸式磁編碼器已成功應(yīng)用于閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)和汽車EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等領(lǐng)域；在國(guó)內(nèi)，注塑機(jī)、木工雕刻機(jī)、紡織機(jī)械、防水電機(jī)等對(duì)環(huán)境要求較為嚴(yán)苛的工業(yè)領(lǐng)域都是磁編碼器的應(yīng)用范圍。包括高速公路ETC自動(dòng)欄桿機(jī)、動(dòng)感影院、旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)、移動(dòng)噴泉、電動(dòng)叉車等對(duì)位置控制有要求的通用領(lǐng)域，以及長(zhǎng)期暴露在溫差較大環(huán)境下的場(chǎng)合也非常適用離軸式磁編碼器。

5. 可觀的成本效益

在惡劣工況下，光學(xué)編碼器為避免污染必須進(jìn)行封裝，而分體式的磁編碼器不含軸承、電路板、支架等配件，可為用戶減少封裝成本。另外，普通的光學(xué)編碼器安裝空間至少為30-40mm，而離軸式磁編碼器在完成安裝后，僅占約12-14mm空間，通過(guò)更加緊湊的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為可觀的成本效益。

近年來(lái)，全球磁編碼器市場(chǎng)正在逐步擴(kuò)大。根據(jù)《中國(guó)儀器十二五規(guī)劃》，到2020年，僅增量型編碼器的產(chǎn)業(yè)規(guī)模就將達(dá)到500億元。不斷擴(kuò)大的市場(chǎng)容量也預(yù)示著磁編碼器尤其是離軸式磁編碼器巨大的發(fā)展?jié)摿Α{借可靠的磁編技術(shù)、極強(qiáng)的環(huán)境適用性和明顯的成本優(yōu)勢(shì)，離軸磁編碼器將進(jìn)入越來(lái)越多應(yīng)用領(lǐng)域，作為光學(xué)編碼器的一項(xiàng)補(bǔ)充技術(shù)，為客戶帶來(lái)更豐富和更明確的產(chǎn)品選擇。