磁編碼器研究現狀及展望

陳洪生,王 寅,邱 鑫,楊建飛

(南京師范大學 電氣與自動化工程學院,南京 210023)

0 引 言

編碼器作為高精度位置傳感器,與數字控制相結合,將控制系統中的位置角度和速度等物理信號轉變為電壓信號,以此進行位置檢測和運動控制[1]。高分辨率、高精度、低成本和強抗干擾能力是編碼器的主要研究方向[2]。

磁編碼器利用磁敏感元件檢測磁極運動產生的變化磁場,并解算得到運動物體的位置[3],具有精度高、成本低、抗振動和沖擊能力強和體積小等優點[4-5],在軍事、醫療、航空等領域逐步取代光電編碼器和旋轉變壓器[6-7]。

本文對磁編碼器進行系統介紹。首先,介紹了磁編碼器的基本原理和分類,根據磁敏感元件的不同分為霍爾式和磁阻式;其次,列舉了磁編碼器的單極和多極位置解算方法。其中多極的游標卡尺法解算精度最高;再次,分析了磁編碼器位置解算的3個主要誤差因素及其補償算法,鎖相環及其改進算法成為主流;然后,對國內外的各類磁編碼器產品進行調研,并對比其性能;其中,北京金鋼科技有限公司和日本多摩川所生產的磁編碼器精度達到24位;最后,展望了磁編碼器未來發展趨勢。總體而言,未來方向是提高磁編碼器的分辨率和檢測精度,減小體積,發展簡單、高效的位置解算和誤差處理算法。

1 磁編碼器工作原理及分類

磁編碼器主要由永磁體、磁敏元件以及信號處理電路組成[8-9]。與光電編碼器相比,磁編碼器利用永磁體代替玻璃碼盤,永磁體與檢測對象同軸相連,永磁體在運動過程中產生周期性變化的磁場,磁敏元件檢測到磁場后輸出相應周期性變化的電壓信號,磁編碼器建立電壓信號與位置角度的單一映射關系,以此達到檢測對象的位置和運動速度。典型的磁編碼器結構如圖1所示。

圖1 磁編碼器結構

磁敏元件分為磁阻元件和霍爾元件[10]。根據磁敏元件的不同,磁編碼器可以分為磁阻式編碼器和霍爾式編碼器。磁阻式根據磁敏電阻的不同可以分為巨磁阻(GMR)、各向異性磁阻(AMR)和隧穿磁阻(TMR);霍爾式編碼器根據永磁體磁極數量又可以分為單極霍爾式磁編碼器和多極霍爾式磁編碼器[11-12]。磁敏元件分類如圖2所示。

圖2 磁編碼器分類

1.1 磁阻式編碼器

1.1.1 巨磁阻(GMR)磁編碼器

巨磁阻[13](GMR)磁編碼器的磁敏元件為巨磁阻,主要由自由層、導體墊片、固定層、反鐵磁體以及兩端的連接金屬組成,其結構如圖3所示。

圖3 巨磁阻(GMR)結構

自由層的磁化方向會受外界磁場的影響而變化,反鐵磁體的磁化方向是固定的。當兩者方向平行時,呈現高電阻狀態;垂直時,呈現低電阻狀態。

巨磁阻(GMR)的電阻率比各向異性磁阻大一個數量級,因此具有良好的溫度穩定性,同時其結構復雜,制作成本高,存在層間耦合,在許多場合受到制約。Infineon公司生產的TLE系列就是基于GMR制作的位置傳感器。

1.1.2 各向異性磁阻(AMR)磁編碼器

各向異性磁阻(AMR)磁編碼的磁敏元件為各向異性磁阻[14]。其由鐵磁條層和兩端的連接金屬組成,結構如圖4所示。

圖4 各向異性磁阻(AMR)結構

各向異性磁阻的電阻值由電流方向與鐵磁條層的充磁方向決定,平行時的導電電阻最大,垂直時的導電電阻最小。各向異性磁阻的電阻率表示:

ρ(θ)=ρ⊥+(ρ‖-ρ⊥)cos2θ

(1)

式中:θ表示電流方向與鐵磁條層磁化方向的夾角;ρ⊥表示垂直方向時的電阻率;ρ‖表示平行方向時的電阻率。

各向異性磁阻在較低磁場下仍有百分之幾的數值,基于AMR制成的傳感器多用于倉儲、醫療等領域。MagnTek公司生產的MT6825是基于AMR制作的18位角度傳感器。

1.1.3 隧穿磁阻(TMR)磁編碼器

隧穿磁阻[15-17](TMR)結構與GMR類似,TMR在自由層與反鐵磁體間添加了一層隧穿屏障,自由層和反鐵磁體的相對取向決定了隧穿屏障的電阻和電流,其結構如圖5所示。

圖5 隧穿磁阻(TMR)結構

TMR的信噪比好、精度高、功耗低等優點,是目前最常用的磁敏電阻。多維科技生產的TMR3105A是基于TMR制作的角度傳感器。

磁敏電阻具有靈敏度高,響應速度快,溫度特性好等優點,因此磁阻式編碼器廣泛應用于航空航天領域[18]。但是磁阻式編碼器精度的提高必然伴隨著磁極數量的增加,使得加工難度增大、體積增大、成本上升。目前主要應用于儀器儀表、醫療器械等領域。

1.2 霍爾式磁編碼器

1.2.1 單極霍爾式磁編碼器

單極霍爾式磁編碼器[19-20]的單對極永磁體旋轉一周,霍爾傳感器產生一個周期的正余弦信號,充磁方向一般為徑向。通過多個霍爾傳感器分布式設計,可以獲得不同的模擬信號。圖6為采用的單磁極6霍爾感應模型。6個霍爾傳感器對稱分布,將6路霍爾信號差分處理,可以消除信號中2次和3次諧波,通過此方法可以將17位分辨率的磁編碼器精度提高到13位。

圖6 單極6霍爾磁編碼器結構

1.2.2 多極霍爾式磁編碼器

單極霍爾式磁編碼器[21-22]旋轉一周只能產生一個周期的正弦信號,編碼器分辨率和精度有限。通過增加永磁體極對數,一個旋轉周期內產生多個周期的正弦信號,提高磁編碼器分辨率。多極霍爾式磁編碼器計算絕對位置角度必須按照磁極劃分區間,目前主要采用單對磁極和多對磁極組合式磁柵,如圖7所示。

圖7 單極多極磁體組合結構

內部單對磁極計算區間位置,外部多對磁極計算區間絕對角度。通過此方法可以將磁編碼器17位分辨率下的精度由11位提高到15位。

1.3 不同磁編碼器優缺點對比分析

綜上所述,將磁編碼器的磁敏感元件參數總結對比,如表1所示。

表1 磁編碼器磁敏感元件參數對比

由表1可見,TMR磁編碼器與其他3種磁編碼器相比,參數具有明顯的優勢,功耗小、靈敏度高、響應速度快和溫度漂移小等。

2 磁編碼器位置解算方法

對磁敏感元件輸出的電信號進行位置解算,是磁編碼器的關鍵技術問題[5,8,23]。根據永磁體磁極數量的不同,磁編碼器的位置解算方法分為單極解算方法和多極解算方法。下面對單極型和多極型磁編碼器的解算方法進行分析,對比其優缺點。

2.1 單極磁編碼器位置解算方法

單極型磁編碼器在定子圓周相差90°位置上放置磁敏感元件,理想情況下,磁敏感元件輸出兩個正交的正、余弦信號,如圖8所示。

圖8 理想單極磁編碼器信號

目前單極型磁編碼器的位置解算方法主要有反正切法、查表標定法、鎖相環法。

2.1.1 反正切法

單極型磁編碼器的理想輸出信號的數學模型如下表示:

式中:Um為輸出電壓峰值;θ為被測對象的位置角度;uA,uB為磁敏感元件輸出的正、余弦信號。

理想的兩路輸出信號為正弦、余弦函數,利用反正切函數即可求得角度值,如下表示:

反正切法[24]原理簡單,易于實現,但對硬件要求高。同時,反正切函數在90°和270°時值無窮大,會導致數據溢出,解算精度取決于磁敏元件輸出信號的理想程度,受非線性影響大。正切函數曲線如圖9所示。

圖9 正切函數

2.1.2 查表標定法

查表標定法[25]的本質是對圓周角度進行絕對編碼細分,建立磁編碼器輸出信號與細分后的位置角度數字量信息的單一映射關系。采用高精度的光電編碼器與磁編碼器同軸相連,對磁編碼器輸出的電壓信號與角度數據進行標定,將角度數據存入EEPROM(可擦除、可編碼存儲空間)中。工作時僅對輸出電壓信號判斷,分區間查表,即可輸出位置角度。標定查表區間如圖10所示。

圖10 標定查表區間

查表標定法只需判斷信號區間,解算速度快。但占用大量存儲單元,分辨率越高,占用內存越大。

2.1.3 鎖相環法

鎖相環法是閉環位置解算[26-27]。鎖相環由相位檢測器、環路濾波器和壓控振蕩器組成。相位檢測器是基于三角公式原理,鎖相環環路的輸入和反饋信號近似輸入輸出之間的誤差;環路濾波器通常采用比例積分控制器,對整個系統起超調、響應和噪聲抑制的作用;壓控振蕩器跟蹤輸入輸出相位差,調整輸出相位。鎖相環法原理圖如圖11所示。

圖11 鎖相環結構

將磁編碼器輸入的sin、cos信號與輸出反饋的兩路信號通過乘法器、減法器進行相位比較,得到誤差ei,表示:

當鎖相環鎖定后,誤差ei足夠小時,可以近似如下式:

誤差經過環路濾波器和壓控振蕩器后輸出角度值 。

鎖相環法是閉環位置解算,受誤差影響小,解算精度高,具有一定的濾波能力。但是算法復雜,解算時間長。

2.2 多極磁編碼器位置解算方法

增加永磁體極對數可以提高磁編碼器分辨率,與單極磁編碼器相比,多極磁編碼器輸出極對數個周期的正余弦信號,計算公式表示:

usin=Umsinθe

ucos=Umcosθe

θe=pθm

式中:θe是電角度;θm是機械角度;n是經過的完整周期數;p是極對數。采用單極解算方法無法指定n,造成絕對角度丟失。多極磁編碼器位置解算方法的重點是完整周期數n的計算。

2.2.1 游標卡尺法

游標卡尺法是基于游標測量原理[28],永磁體由兩個多極磁環組成,稱為內碼道和外碼道,磁敏元件掃描永磁體輸出兩組周期數差1的正弦信號,如圖12所示,這里稱為A信號和B信號。

圖12 游標磁體輸出信號

在初始位置相同的情況下,兩組信號的位置角度可以表示:

式中:θA、θB表示A信號和B信號對應的實際角度;mA、mB表示A信號和B信號的完整周期數;N表示旋轉一周的總周期數;φA、φB表示當前周期內的絕對位置角度。

內外碼道初始位置相同,即θA=θB,可表示:

內碼道和外碼道極對數相差1,信號A和信號B的完整周期數mA、mB的關系只存在以下兩種情況:

(1)m=mA=mB時

(2)m=mA=mB+1時

在0～360°內根據φA-φB判斷角度所處的區間,根據φA或者φB即可計算當前位置角度。游標卡尺法原理簡單、占用內存小、易于硬件實現,但對永磁體充磁質量要求較高。

2.2.2 偏心結構法

在不增加磁體的情況下,通過移動多極磁體的中心和軸的旋轉軸線,多極磁體與檢測對象的旋轉偏心同步,以此計算完整周期數n。多極偏心結構如圖13所示。

圖13 偏心結構

偏心結構[29]使得霍爾傳感器與多極磁體之間的距離呈周期性變化,傳感器輸出幅值呈周期性變化的正余弦信號。

霍爾傳感器輸出信號與θm之間的關系存儲在查找表中,完整周期數是通過計算查找表中的理想信號與實際輸出信號之間的誤差來獲得,并且當下式最小時確定。可表示:

在不增加磁柵數量的情況下,采用偏心結構可以有效計算位置角度,但是需要多個角度傳感器,成本較高。

2.3 位置解算方法優缺點對比

綜上所述,磁編碼器的位置解算方法對比分析如表2所示。

表2 位置解算方法優缺點對比

3 精度提升算法

受到磁極充磁不均、模擬電路電阻誤差、傳感器安裝位置誤差等因素的影響[30-31],在正交的正余弦信號中存在幅值差異、相位偏移、信號失真以及環境噪聲[8,32]等非線性因素,從而影響磁編碼器位置檢測精度。對磁編碼器的非線性因素的處理,對提高磁編碼器精度至關重要,是磁編碼器的重點研究內容。

3.1 信號失真補償算法

實際工程應用中,磁編碼器輸出信號會受到實際環境的干擾,如外圍模擬電路、地磁等,使得原本理想的正余弦信號發生畸變,信號中產生大量的高次諧波。對此,引入補償算法消除諧波干擾。

文獻[33]采用基于觀測器鎖相環(OPLL)和非線性補償方案來消除諧波失真引起的位置誤差。首先,OPLL用于消除非理性因子并估計相位誤差。然后,建立兩個由于諧波而偏離的位置信號誤差表,每次采用結構通過查表補償的方法對OPLL的主相位角進行調制。該方法有效消除非理想因子、諧波失真,提高磁編碼器精度。

文獻[34]提出一種基于諧波抑制(HR)的雙鎖相環法(DPLL)。將HR與DPLL的第一層PLL的相位檢測器集成,借助諧波抑制(HR)來研究相位檢測器的非理想性,并通過梯度下降法來抑制諧波分量。DPLL通過在相位跳躍、恒定頻率和斜坡頻率期間保持零穩態誤差,抑制諧波失真的同時保證了系統的魯棒性。但是該方法無法處理初始信號的相位偏移,并且存在一定的信號延時。

文獻[35]提出了最速下降的迭代線性搜索算法分析磁編碼器的位置誤差。首先,對磁編碼器信號中的諧波失真進行建模。然后,構建信號的誤差函數。最后,利用最速下降的無約束和多元算法最小化誤差函數。但是對諧波失真建模的高階近似會導致補償參數的收斂出現偏差,補償效率取決于誤差模型的準確性。

文獻[36]提出了一種單極6霍爾式磁編碼器,在單極磁鋼周圍等間距分別6個線性霍爾傳感器,6路信號差分處理,可以消除偶數磁諧波。6霍爾傳感器等間距分布,6路信號正交,可以消除3次和3的倍數次諧波。該方案通過增加硬件,消除諧波失真,提高磁編碼器精度。

3.2 幅值和相位偏移補償算法

由于磁編碼器安裝的人為誤差,輸出信號產生幅值偏差和相位偏移。磁敏元件與磁體之間的距離誤差,檢測的磁場強度不同導致幅值偏差;磁敏元件之間未嚴格正交、多磁體的磁極初始位置不同步,導致輸出信號相位偏移。

文獻[37]采用基于優化理論的遞歸梯度搜索算法來校正磁編碼器輸出的非理性信號,將位置信號近似為誤差隨時間變化的函數,將誤差結果迭代至最小時輸出位置信號。同時,在算法中添加了相位偏移校正,并且只應用了二階近似方程,提高精度的同時降低了計算量。

文獻[38]提出一種自動標定和自適應鎖相環相結合的方法,通過模糊邏輯控制,靈活地改變鎖相環的帶寬,自適應帶寬鎖相環檢測相位檢測器的輸入誤差,根據誤差結果調整濾波參數,從而自動校正磁編碼器輸出信號中的直流偏移、幅值偏差和相位偏移,提高磁編碼器精度。

文獻[39]提出了一種自校正調整算法。該方法是基于低通濾波器,通過調整濾波器截止頻率,從而確定校準參數,隨后通過調整算法將輸入信號歸一化,在鎖相環上實現,通過閉環使參數逐漸收斂,降低誤差影響,提高磁編碼器精度。

3.3 隨機噪聲補償算法

磁編碼器的實際輸出信號不可避免地帶有一定量的隨機噪聲,包括高斯噪聲、白噪聲等。隨機噪聲可能引起信號跳變,使編碼器信號在過零點位置產生檢測誤差,降低磁編碼器檢測精度。

文獻[39]提出了自適應帶寬鎖相環(AWB-PLL),利用AWB-PLL對磁編碼器的相位角進行平滑估計,同時在相位檢測器后增加低通濾波器,根據相位檢測器的相位差,采用自適應帶寬算法適當調整濾波參數,以此消除噪聲干擾。

文獻[40]針對隨機噪聲引起的極點跳躍問題,提出了雙動態窗口角度區間預測法,對多極磁編碼器輸出的角度值進行預測,在預測值處設置窗口上限和下限,由窗口值判斷極點數,消除了極點數的誤判。

文獻[41]提出增強比率線性補償法,將每個周期相位誤差存儲在查找表中,不斷更新位置誤差補償值,同時在增強比率線性化中添加低通濾波器和校準器,消除隨機噪聲,提高性能。

文獻[42]提出了自適應神經網絡和鎖相環相結合的方法,利用自適應神經網絡估計輸出信號中的非理性因子,然后利用鎖相環的閉環特性跟蹤信號。神經網絡中的自適應學習可以加快收斂速度,減少隨機噪聲干擾。

結合諸多研究可以發現,濾波和誤差迭代算法是目前磁編碼器位置解算和誤差處理的主要方法。其中改進鎖相環算法主要是在鎖相環算法的基礎上引入濾波或者誤差迭代算法,保證系統魯棒性的同時進一步提高解算精度。但是目前沒有哪種誤差處理算法能夠對所有誤差進行消除,總有誤差無法完全處理,這也導致磁編碼器精度無法進一步提高。

4 國內外磁編碼器產品分析對比

目前,市面上的磁編碼器產品主要來自德國、英國、瑞士、日本和中國等國家,高端產品以德國和日本為主。傳統的磁編碼器精度低、成本高。近年來,隨著磁敏元件和磁柵制造技術的發展,高分辨率的磁編碼器不斷被開發,但其分辨率與光電編碼器相比仍有一定差距。

4.1 國內磁編碼器廠家及產品分析

國內主要有北京金鋼科技有限公司、嘉興市銳鷹傳感技術有限公司、威海艾迪科電子科技股份有限公司和深圳四方電氣技術有限公司等對磁編碼器進行研發和制造。

威海艾迪科電子科技股份有限公司生產的磁編碼器產品主要是基于集成磁傳感器芯片的分體式絕對值編碼器,分辨率達到17位,主要應用于伺服系統。

北京金鋼科技有限公司生產的磁編碼器包括MBS和MBP兩種型號,內部擁有多個高精度霍爾傳感器檢測磁場變化,采用特有磁干擾屏蔽技術,可以安裝于強電磁干擾環境,7 mm超薄中空結構,方便各種場合安裝。MBS系列的分辨率為16～17位;MBP系列的分辨率高達24位,精度小于0.01°。目前,北京金鋼科技有限公司生產的中空磁環編碼器憑借其體積小、精度高,廣泛應用于軍工以及機器人領域。

4.2 國外磁編碼器廠家及產品分析

瑞士Baumer公司生產的EAM絕對式磁編碼器單圈分辨率14位,多圈18位,采用堅固的ShaftLock軸鎖設計法蘭,防止軸向穿透,即使安裝不當時,也基本不影響編碼器可靠性。

奧地利AMS公司生產的AK7452磁編碼器芯片,雖然基于HALL元件,但是分辨率達到14位,主要應用于醫療、攝影等領域。

德國Hengstler生產的AR系列重載型磁編碼器,分辨率為12位,防護等級達到IP69K,軸向和徑向可同時承受300 N的力,廣泛應用于龍門起重機、壓力機、海上設備等重型機械設備。

日本Tamagawa公司是目前亞洲地區高精度磁編碼器的主要制造商,其生產的TS569 MSB系列絕對式磁編碼器分辨率最大24位,通過檢測Z相位執行偽絕對輸出。

各國磁編碼器分辨率對比如表3所示。

表3 各國磁編碼器產品分辨率對比

目前,國內的大部分磁編碼器產品主要是基于集成傳感器芯片,分辨率和精度取決于所選芯片的性能,磁編碼器發展受制于芯片制造。國內的金鋼科技和國外的諸多公司開始發展多極磁環,通過提高磁極數和多極解碼算法提高磁編碼器分辨率。

5 結 語

雖然多極中空磁環、分體式單極等不同類型的磁編碼器已生產,能滿足一定的市場需求,磁編碼器的應用仍以建筑機械、電梯等場景,但是對于伺服、機器人等對高精度和體積要求高的場景,仍以光電編碼器為主。位置解算算法、磁柵制作水平和誤差處理技術是提高磁編碼器精度的關鍵。在采樣頻率一定時,需要提高磁極數,在鎖相環基礎上發展更加高效的位置解算算法,提高磁編碼器的抗干擾性,減少誤差干擾,從而提高磁編碼器精度。

綜上所述,磁編碼器未來發展方向有如下三方面。

1)高分辨率、高精度。高分辨率是高精度的基礎,也是磁編碼器的關鍵指標。目前磁編碼器的分辨率在12～20位,檢測精度在14位左右。隨著對控制要求的不斷提高,高精度成為傳感器產品的必然發展趨勢,磁編碼器需要不斷提高自身分辨率和測量精度,適應行業發展,在高精度控制領域逐步取代光電編碼器,滿足未來更廣闊的應用市場。

2)集成化、小型化。磁編碼器的體積是制約磁編碼器應用的重要因素,體積越小,應用范圍越廣。磁編碼器分辨率和精度的提高必然伴隨著磁極數量的增多、處理電路的復雜化,導致體積增大。目前,外圍模擬電路、磁敏元件已經逐漸被集成到微型處理芯片中,未來的磁編碼器將作為整體對系統位置信號完成檢測、處理和反饋。

3)低成本化。現階段磁編碼器分辨率和精度的提高是以犧牲成本為代價,不利于磁編碼器的推廣應用。提高磁極數量和采用高性能的處理芯片可以有效提高分辨率,但成本增加。相同精度的磁編碼器成本是光電編碼器的2～3倍,嚴重制約磁編碼器發展。