磁電式多圈絕對值編碼器輸出重復精度研究

何利，杜卯春，呂冬，陳冬陽

（湖南航天磁電有限責任公司，長沙 410221）

0 引言

隨著科技的進步，控制系統對檢測元件的精度要求也同步增加[1]。編碼器可將機械運動中的位移、速度、加速度等物理量轉變成數字電信號[2]。

編碼器是將信號或數據進行編制、轉換為可用以通信、傳輸和存儲的信號形式的設備。目前編碼器按照其工作原理，可以分為增量型和絕對型兩大類[3-5]。其中絕對值編碼器按照信號檢測原理，可以分為光電式、磁電式及光磁復合類型。光電式絕對值編碼器里面會要用到菲林、玻璃或者金屬碼盤[6]，此種應用對環境要求高，耐油及塵、耐鹽霧、耐振動、抗沖擊能力差。磁電式絕對值編碼器，對環境適應性強，相比光電式編碼器響應速度稍差，同時成本稍高，但是可靠性能得到大大提升。國內供應商越來越青睞磁電式原理絕對值編碼器。

1 磁電式編碼器工作原理

磁電式編碼器的輸出原理如圖1所示，磁石一般為釤鈷或者銣鐵硼材質，已經徑向或者軸向進行充磁，磁石與外部軸等旋轉機構連接旋轉運動，霍爾芯片與磁石之間有0.5～2.5 mm間隙，此間隙依據霍爾芯片選型及磁石磁場強度來進行匹配，霍爾芯片感應磁石磁場變化輸出電壓或者電流信號。

圖1 磁電編碼器的工作原理

其中磁石有單對極[7]，即只有1對N極與S極，以及多對極充磁布置，芯片的布置位置也有軸向端面固定及徑向周向感應固定。多對級磁編碼器一般應用在對精度要求比較高的伺服控制系統，開發難度高。本文多圈絕對值編碼器所用的磁石為單對極。

2 多磁石布置對磁場性能影響仿真分析

2.1 機械式多圈絕對值齒輪箱介紹

本文以256圈絕對值編碼器為分析對象，如圖2所示。編碼器的1：256速比通過齒輪箱實現[8]，磁石固定在齒輪上，每一磁石上對應一霍爾感應芯片，霍爾感應芯片布置在電路板上。256圈絕對值編碼器一共有3個磁石，中間一磁石，同時速比1：16以及速比1：256齒輪上分別布置磁石，3個磁石為同一牌號，同樣規格。

圖2 絕對值編碼器的齒輪箱

2.2 磁場影響仿真分析

根據霍爾芯片感應原理，在芯片磁場強度感應范圍內，磁場強度越大，芯片的響應速度更快，測量結果會更精準。為了研究3磁石布置相互間磁場強度的分布及影響,建立兩種仿真模型，分別為：1）3磁石布置在同一軸向平面；2）中間磁石同1：16磁石與1：256磁石，軸向錯開布置，為了同時滿足編碼器整體結構布置的緊湊性，軸向錯開距離為考慮到雙層電路板布置所需最低距離要求。

磁石材質為N45M；磁石充磁方向為徑向；磁石規格為φ6 mm×2.5 mm。建立的仿真模型如圖3所示，設置好各邊界條件，通過ANSYS仿真其磁場變化。

圖3 ANSYS仿真模型搭建

依據芯片性能參數，讀取距離磁石表面軸向1.3 mm高度，磁石半徑1.87 mm的圓周內的磁場強度，橫向對比兩種不同仿真模型，同一磁石同一位置磁場強度變化。從圖4所知，磁石360°圓周范圍內磁場強度按正余弦曲線變化[9]。

圖4 各磁石磁場強度變化

現提取磁石圓周距離2 mm、4 mm和6 mm的測量結果來進行對比分析，數據如表1所示。

表1 不同距離下磁場強度對比

通過仿真結果可知，中心磁石軸向錯開布置，對于中間磁石來說，磁場強度比同一平面布置磁場強度高出25%；1：16磁石及1：256磁石，磁場強度比同一平面布置高出12%左右。

3 測量數據對比分析

3.1 測量裝置介紹

測試環境由安裝工裝、步進電動機、聯軸器、編碼器、電源、示波器、采集軟件及數據分析軟件等組成，通過測量不同的步進角度下，對比步進電動機絕對角度與編碼器讀取的角度的差值，獲取不同測量步數下編碼器的重復精度。測試環境如圖5所示。

圖5 測試環境

3.2 測量數據分析

設置步進電動機轉動18°，同時讀取測試編碼器的輸出數值，對標電動機輸出角度，得到的誤差值即為編碼器輸出角度的絕對誤差，絕對誤差測量結果如圖6所示。

圖6 步進電動機正轉18°時編碼器的絕對誤差分析

通過圖6可知，5臺磁石同一平面的編碼器絕對誤差平均值為0.563°，5臺磁石錯開平面的編碼器絕對值誤差平均值為0.266°，絕對值誤差下降了52.8%。同時錯開平面各樣品間的絕對誤差相差比較小，其數據相關性R2約為0.912，而同一平面各樣品間的絕對誤差數據相關性R2為0.437，可知錯開平面編碼器絕對誤差一致性比同一平面的編碼器好。

同時讓電動機旋轉18°，記錄此時編碼器的絕對角度；然后讓電動機正向旋轉1圈+18°，記錄此時編碼器的絕對角度，兩絕對角度之間的差值即為重復性誤差。通過測量1#～5#樣品重復性誤差，對比結果如圖7所示。

圖7 步進電動機正轉18°時編碼器的重復性誤差分析

通過圖7可知，5臺同一平面的編碼器重復性精度平均值為0.319°，5臺錯開平面的編碼器重復性精度平均值為0.087 9°，重復性精度提升了將近4倍。

4 結語

通過仿真得知同一平面下，磁石間存在相互干擾，從結構上把中間磁石軸向錯開，能削弱此干擾，各磁石磁場強度相比于之前能有12%～25%的增強。同時通過試驗驗證，分析了同一平面及錯開平面編碼器的絕對誤差及重復性精度表現，對比得知：絕對誤差下降52.8%，重復性精度提升了4倍。