磁角度编码器的基本研究（一）

第一章 绪论

随着劳动力成本的上升和科学技术的进步，工业生产过程中对智能化自动设备的需求越来越多。主要原因有两个：一是代替人工劳动力以降低生产成本；二是在一些环境恶劣的工作岗位取代人工劳动力，使人工劳动力能够从事一些更有体面、更有尊严的生产劳动。

对于智能化的现代自动设备来说，需要根据实际的工作状况来决定下一步的工作内容。因此对于现代机械系统，如机械手、智能车辆、数控机床等都要求具有优良的位置检测和定位功能。伺服电机就是为满足这两项系统要求而设计发展出来的动力执行元件，因此伺服电机在现代机械系统中的应用也越来越广泛。

所谓编码器即是将某种物理量转换为数字格式的装置，而以一定的编码方式标识马达主轴转过的度数或是所处的角度，这种装置称为角度编码器。伺服电机就是依靠固定在电机转轴上的角度编码器来实现电机轴的角位置、角位移、角速度等物理量的检测功能，是伺服电机的重要构成部份。编码器可采用电接触、磁效应、电容效应和光电转换等机理，形成各种类型的编码器。编码器的精度和功能特性对伺服电机的位置准确度、速度稳定性、带宽、功率损耗、噪音、尺寸等重要特性有决定性的影响。

目前市面上常见的编码器有光电式和磁电式编码器两种，其中光电式编码器占市场主导地位，其发展比较早，技术比较成熟，精度比较高。但是光电式编码器也有许多缺点：玻璃光盘的抗震性能比较差，对尘埃和结露等环境要求比较高，另外玻璃光盘的刻线有一定的物理限制，部品点数比较多，不利于小型化，组装比较复杂困难，对组装的环境要求比较高，成本相对的也就比较高。

第二章 早期光学编码器的工作原理：

早期的机械鼠标内所使用的编码器是透射式旋转光电编码器，其基本零件构成请参见下图：

 

在刻度盘（码盘）的一边是发光管（光源），另一边是光电接收管（光检测器），刻度盘随着被测轴的转动使得透过刻度盘缝隙的光束产生间断，通过光电接收管的接收和电子线路的处理，产生特定电信号的输出，再经过数字处理可计算出位置和速度信息。简单的脉冲输出电路示意图如下，光电接收管接收到光线导通时，输出端导通，成为低电平。光电接收管没有接收到光线断开时，输出端不导通，成为高电平。

早期步进马达的生产技术和驱动技术相对没有那么成熟，成本也较高。因此在有刷马达主轴上加装了透射式光学角度编码器做为反馈机制，利用简单的控制电路，可以大大提高有刷马达的转动精度。下图为某有刷电机主轴上的金属码盘：

角度编码器以旋转一周（360度）可以提供多少个脉冲（刻度盘上有多少条通过或是遮断光线的缝隙）称为编码器的分辨率（也称解析分度），或者是直接称为多少线的编码器。早期的刻度盘是塑料盘或是金属盘，由于物理限制，一般所能刻的线数非常少，通常只能刻1000线以下。

 

为了提高线数，刻度盘开始采用玻璃材质，通过镀膜技术，在玻璃刻度盘上可以刻出上千或是上万条刻度线。由于计算机内采用二进制，人们也常用二进制的位数来表示编码器的分辨率，如2的9次方是512，因此有512条刻线的编码器称为9位精度编码器。2的12次方是4096，有4096条刻线的编码器就称为12位精度编码器。

 

第三章 磁敏电阻编码器：

当光学编码器刻度盘上的刻线逐渐增加时，缝隙变窄，透过缝隙的光量变小，对光电接收管的精度要求就逐渐提高，因此不得不减小刻度盘和光电接收管之间的距离，同时缝隙的间距也越来越小，导致光学编码器的装配精度要求就越来越高，同时对防尘的要求也越来越高，对使用环境的要求也比较高。其抗震性和抗恶劣环境的性能就比较差。

物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效应。磁敏电阻是一种对磁敏感、具有磁阻效应的电阻元件。磁敏电阻通常用锑化铟（InSb）或砷化铟（InAs）等对磁具有敏感性的半导体材料制成。半导体材料的磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应，其中物理磁阻效应又称为磁电阻率效应。

当外加磁场的方向或强度发生变化时，磁敏电阻的阻值相应改变，利用该变化，可精确地测试出磁场的相对位移。例如，在一个长方形半导体InSb片中，沿长度方向有电流通过时，若在垂直于电流片的宽度方向上施加一个磁场，半导体InSb片长度方向上就会发生电阻率增大的现象。