18位高分辨率絕對位置磁編碼器的研究

周滿城　田躍　張波

摘要：磁編碼器具有無觸點、長壽命、高分辨、低溫漂、優線性、精復位、高頻響、多保護、抗干擾、耐振抗沖、適用水、油、氣、振動、沖擊等多種惡劣工業環境，在油、水、粉塵等惡劣環境下、電磁輻射強和振動大的工業環境中應用較多，在工業自動控制中，其輸出的信號有模擬量、數字量等多種形式。與傳統的單磁極一周期輸出正余弦信號不同，本文在磁性編碼器的基礎上，研究了一種雙軌道型碼盤的磁編碼器，利用游標卡尺原理實現了高分辨、突破了以單磁極為基礎的編碼器設計技術。單圈計量采用了擁有兩個獨立霍爾敏感器件的旋轉編碼器芯片，內置數字信號處理器，模擬、BISS、SSI或者SPI輸出，絕對位置分辨率可達1位至18位，可在360度范圍內實現絕對位置輸出；增量式分辨率可達1至16位。針對18位絕對位置輸出角度時，受到干擾較大，輸出不穩定的問題，引入了ARM單片機STM32F103進行校準，穩定輸出的角度值。

關鍵詞：磁編碼器 絕對位置 高分辨率 ARM

中圖分類號：TN76 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0104-01

1 前言

磁編碼器是替代光編碼器、導電塑料電位器、旋轉變壓器、測速發電機高性價比的傳感器。它可以分別從經濟化、多功能化、信息化以及柔性化的程度上去進行改變。隨著工控技術的不斷發展，新的要求也在不斷的出現。正因為這樣，選用旋轉編碼器的應用的需求也就越來越突出。當然，有發展就有挑戰，每一次技術的更新都會引起產品的除舊布新，旋轉編碼器零件供應商也不例外，當已有的產品不能解決實際中的問題時，市場的需求就會督促研發者進行新的測試，在電機，醫療機械，機器人，汽車等行業，對旋轉編碼器分辨率的要求越來越高。高精度、小型化必將成為旋轉編碼器的歸宿，高分辨率磁編碼器技術的瓶頸已經燃起。

2 18位分辨率編碼器工作原理

芯片MU是IC-HAUS公司在最近幾年剛研發成功的磁偏軸位置定義的集成霍爾傳感器，與以往的單軌道采集信號不同，此霍爾傳感器通過掃描兩個獨立軌道（即主、游標）得出一個機械內的絕對位置，利用游標卡尺原理確定每圈不同位置的“二進制代碼”。該芯片內部，可自動對傳感器信號進行一定程度的補償以及糾正一些典型的信號錯誤。在一個正弦周期內，內部的12位轉換器可提供高精度的基于主軌與游標軌的兩個位置信號，游標軌上的計算引擎可在一個機械周期內計算絕對位置信號，并與主軌上信號同步。在數據傳輸的時候，可以用軟件對接口的配置實現增量、模擬等信號傳輸。

絕對位置測量系統還包括一個的磁鼓部分，在旋轉系統中，磁鼓具有兩個軌道，外軌（主軌）32對磁極用于高精度位置定義，內軌（游標）31對磁極比主軌少一對磁極，用于計算磁鼓一圈內的絕對位置，這樣，一圈之內的每個位置的“獨特性”就被這兩軌上的不同磁極數以游標的形式標記出來了。

3 編碼器的設計與實現

18位分辨率編碼器的設計中主要包括兩部分：電路部分和機械部分，電路部分如圖1所示，它包括信號采集，單片機處理數據，RS485發送數據，以及電源部分；機械部分如圖2，主要包括軸承（①）和碼盤（②表示主軌，③表示游標軌）。

4 結語

編碼器分辨率的高低將直接影響用戶的測量最小角度值，分辨率越高，所能測量的最小角度越小，造成的誤差也就將越低。本產品經過單片機校準以后，信號更穩定，實用性也就越強，以其不一樣的特色，應用前景也會不錯。

參考文獻

[1]杜穎財，王希軍，王樹潔，盧新然，梁立輝.增量式編碼器自動檢測系統[J].電子測量與儀器學報，2012，11：993-998.

[2]呂德剛.集成霍爾磁編碼器的研究[D].哈爾濱工業大學，2009.

[3]吳忠，呂緒明.基于磁編碼器的伺服電機速度及位置觀測器設計[J].中國電機工程學報，2011，09：82-87.