编码器常用来测量伺服电机系统的旋转角度和速度。目前市场上主要使用光学编码器和磁编码器。与前者相比，磁编码器由于不受污垢、灰尘、油污、凝露等污染物的影响，近年来越来越受到市场的关注。先进的磁性编码器技术可以提供与光学编码器相同的精度(分辨率)，并可以在提高系统效率的同时大大降低生产成本。1.引言在工业自动化领域，以编码器为代表的速度和位置传感器发挥着越来越重要的作用。其中，光学编码器因其响应时间快、精度高而受到大量用户的青睐。但这种利用光电信号输出脉冲的设备，容易受到振动、灰尘、湿度、温差等环境因素的干扰，从而影响信号输出及其使用寿命。与光学编码器相比，利用磁场和霍尔感应产生信号的磁编码器对环境的适应性更强，SOC的反馈更准确。其明显的价值优势使其在高精度测控领域的相关应用中脱颖而出。2.有严格限制的同轴编码器磁性编码器通常采用两种不同的设计。目前，同轴磁编码器仍是市场上的主流产品。同轴磁编码器在转轴的轴端安装单对稀土磁体，用4-8个霍尔元件组成环形阵列进行感应。两个相对的霍尔传感器通过差分放大器连接，每次旋转产生一个周期正弦和余弦信号，该信号被转换(通常通过DSP芯片操作)为正交或串行位置输入信号。同轴磁编码器的检测方法成本低，但对设备安装要求高。磁铁南北极的中点、芯片的中心和电机轴端的中心必须保持在同一条直线上，因为任何安装误差都会降低编码器的精度。然而，在实际应用中，不仅电机轴的径向抖动无法避免，而且芯片与磁体之间的相对位移引起的偏差也会影响实际输出信号的准确性。另外，同轴设计从一个周期到最终分辨率需要高倍率插补，一旦转速超过一定范围，就无法准确读取各点的位置信息，导致实际输出的精度下降。由于上述原因，同轴磁编码器长期以来一直集中在相对低端的应用领域。离轴磁性编码器3。创造突破性离轴设计随着技术的不断创新，现在的磁编码器已经在很大程度上具备了与光学编码器相媲美的性能，尤其是突破性离轴设计的出现，为磁编码器在更广阔的应用领域大显身手创造了契机。作为该领域的领导者，铁姆肯公司的铁姆肯离轴磁编码器解决了实际应用中的校准等一些难题。铁姆肯离轴磁编码器采用多磁极编码器，芯片安装位置偏离转轴中心。在操作期间，每对极点将产生周期性正弦和余弦信号，该信号将由硬件插值器转换成正交或串行位置信号。电机轴旋转时，芯片内部霍尔元件感应的磁场在径向范围内的强度保持不变，电机轴的径向抖动(只要在霍尔感应磁场的径向范围内)不会影响霍尔感应输出信号的精度。因此，在实际安装过程中，只要保证芯片位置和径向安装距离(与磁极之间的距离有关)，就可以保证输出信号的准确性。图2:带4%误差插补器的离轴磁编码器精度的提高还与其编码器直径和磁极数的变化有关。在机械增益的作用下，同轴编码器直径越小，磁极误差越大，而离轴编码器直径越大，磁极误差越小。如图2所示，对于同轴设计，插值器的精度增益直接显示为1: 1，而离轴误差则通过磁极相反倍数降低。如果离轴设计
此外，同轴编码器通常使用DSP芯片对正弦和余弦信号进行插值，虽然倍数较高，但往往需要较长的响应时间。离轴编码器只需要一个低倍率的硬件插补器，即使主轴转速超过10000rpm也能正常工作，稳定性一流。轴上编码器和离轴编码器在径向和公差范围内的综合测试结果如图3所示。实验对比了三种不同厂家的同轴编码器，结果表明Timken离轴编码器的误差明显小于这三种同轴编码器。但是，当芯片在安装过程中放置不当时，离轴编码器的误差小于轴上编码器的误差。图3:误差测量结果铁姆肯离轴磁编码可以实现主流光学增量式编码器0-5000脉冲/转甚至更高的分辨率。铁姆肯公司凭借专利的磁化磁场检测加工技术，可以根据客户要求，在0.8mm-4mm范围内灵活设计生产不同规格磁距的码盘，再配合芯片感应满足各种实际应用需求。4.轻松应对恶劣的工作环境。光学编码器的码盘一般由金属、玻璃、塑料等材料制成。在实际安装中，码盘与光敏电阻之间的距离极小，任何轴向移动都可能损坏编码器。比如纺织行业，剑杆织机的振动使电机轴一直在抖动，导致光学编码器的使用寿命明显缩短。频繁更换不仅无益于提高系统效率，还会带来巨大的成本压力。同时，由于光电传感技术的限制，生产过程中的灰尘和织物碎屑容易污染光源发射，导致光学编码器在恶劣环境下的适应性较差。而磁编码器不依赖于光源，磁对极产生的磁场不受污染物影响，码盘极强，因此其使用寿命往往是光学编码器的数倍。此外，磁编码器具有抗振动、抗腐蚀、抗污染、抗干扰、宽温等特点，可以应用于传统光学编码器无法适应的许多领域。目前在国外市场，铁姆肯公司的铁姆肯离轴磁编码器已经成功应用于汽车的闭环步进系统和EPS转向系统。在中国，对环境要求严格的工业领域，如注塑机、木工雕刻机、纺织机械、防水电机等。都是磁编码器的应用范围。包括高速公路ETC自动障碍机、动态影院、
旋转舞台、移动喷泉、电动叉车等对位置控制有要求的通用领域，以及长期暴露在温差较大环境下的场合也非常适用离轴式磁编码器。 5. 可观的成本效益 在恶劣工况下，光学编码器为避免污染必须进行封装，而分体式的磁编码器不含轴承、电路板、支架等配件，可为用户减少封装成本。另外，普通的光学编码器安装空间至少为30-40mm，而离轴式磁编码器在完成安装后，仅占约12-14mm空间，通过更加紧凑的结构进一步转换为可观的成本效益。 近年来，全球磁编码器市场正在逐步扩大。根据《中国仪器十二五规划》，到2020年，仅增量型编码器的产业规模就将达到500亿元。不断扩大的市场容量也预示着磁编码器尤其是离轴式磁编码器巨大的发展潜力。凭借可靠的磁编技术、极强的环境适用性和明显的成本优势，离轴磁编码器将进入越来越多应用领域，作为光学编码器的一项补充技术，为客户带来更丰富和更明确的产品选择。作者：铁姆肯（中国）投资有限公司
