編碼器常用來測量伺服電機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速等相關(guān)數(shù)據(jù)。目前市場上使用的主要有光學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，近年來得到了市場上越來越多的關(guān)注。采用先進設(shè)計的磁編碼器技術(shù)可提供與光學編碼器媲美的精度（分辨率），并可在提高系統(tǒng)效率的同時大幅降低生產(chǎn)成本。

1. 引言

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

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。目前，市場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極稀土磁鐵安裝在旋轉(zhuǎn)軸軸端，利用4-8個霍爾元件形成環(huán)形列陣進行感應。相對的兩個霍爾傳感器以差分放大器連接，每旋轉(zhuǎn)一周便產(chǎn)生一個周期的正余弦信號，通過轉(zhuǎn)換（往往通過DSP芯片運算）為正交或串行位置輸入信號。

同軸磁編碼器的檢測方式成本較低，但對設(shè)備安裝提出了高要求。磁鐵的南北磁極中點、芯片中心和電機軸端中心必須保持在同一直線上，因為任何安裝上的錯誤都會降低編碼器的準確性。但在實際應用中，不僅電機軸的徑向抖動無法避免，芯片和磁鐵的相對位移造成的偏差也會影響實際輸出信號的精準度。另外，同軸設(shè)計需要從1個周期內(nèi)插到最終分辨率的高倍率內(nèi)插，一旦轉(zhuǎn)速超過一定范圍就無法準確讀取逐點的位置信息，從而導致實際輸出的準確性降低。出于上述原因，同軸式磁編碼器長期以來一直集中在相對較低端的應用領(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

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編碼器的性能，特別是具有突破性意義的離軸設(shè)計的出現(xiàn)，為磁編碼器在更廣闊的應用領(lǐng)域創(chuàng)造了一展身手的機會。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際應用解決了例如校準等難題。

Timken®離軸式磁編碼器采用多磁對極碼盤，芯片安裝位置偏離旋轉(zhuǎn)軸中心。在運行過程中，每一對極都會產(chǎn)生一個周期的正余弦信號，并通過硬件內(nèi)插器轉(zhuǎn)換成正交或者串行位置信號。當電機軸旋轉(zhuǎn)起來后，芯片內(nèi)部霍爾元件在徑向范圍內(nèi)感應到的磁場強度保持不變，電機軸的徑向抖動（只要在霍爾感應磁場的徑向范圍內(nèi)）也不會影響霍爾感應輸出信號的精準度。因此，只要在實際安裝過程中確保芯片位置和徑向安裝距離（跟磁對極間距有關(guān)），就能確保輸出信號的準確性。

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極數(shù)的改變有關(guān)。在機械增益效果下，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)計直接顯示為1：1，而離軸式誤差以磁對極倍數(shù)減少。如果離軸式設(shè)計含32對極，只需從每對極得到分辨率為1/32的低倍率內(nèi)插即可，相比之下同軸設(shè)計則需要從整個周期內(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，雖然倍數(shù)較高但往往需要更長的響應時間。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)的全面測試結(jié)果圖3所示。實驗對比了來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：誤差的測量結(jié)果

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

4. 輕松應對惡劣工況

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

目前，在國外市場，鐵姆肯公司Timken®離軸式磁編碼器已成功應用于閉環(huán)步進系統(tǒng)和汽車EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等領(lǐng)域；在國內(nèi)，注塑機、木工雕刻機、紡織機械、防水電機等對環(huán)境要求較為嚴苛的工業(yè)領(lǐng)域都是磁編碼器的應用范圍。包括高速公路ETC自動欄桿機、動感影院、旋轉(zhuǎn)舞臺、移動噴泉、電動叉車等對位置控制有要求的通用領(lǐng)域，以及長期暴露在溫差較大環(huán)境下的場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，光學編碼器為避免污染必須進行封裝，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，通過更加緊湊的結(jié)構(gòu)進一步轉(zhuǎn)換為可觀的成本效益。

近年來，全球磁編碼器市場正在逐步擴大。根據(jù)《中國儀器十二五規(guī)劃》，到2020年，僅增量型編碼器的產(chǎn)業(yè)規(guī)模就將達到500億元。不斷擴大的市場容量也預示著磁編碼器尤其是離軸式磁編碼器巨大的發(fā)展?jié)摿?。憑借可靠的磁編技術(shù)、極強的環(huán)境適用性和明顯的成本優(yōu)勢，離軸磁編碼器將進入越來越多應用領(lǐng)域，作為光學編碼器的一項補充技術(shù)，為客戶帶來更豐富和更明確的產(chǎn)品選擇。