18位高分辨率绝对位置磁编码器的研究

周满城　田跃　张波

摘要：磁编码器具有无触点、长寿命、高分辨、低温漂、优线性、精复位、高频响、多保护、抗干扰、耐振抗冲、适用水、油、气、振动、冲击等多种恶劣工业环境，在油、水、粉尘等恶劣环境下、电磁辐射强和振动大的工业环境中应用较多，在工业自动控制中，其输出的信号有模拟量、数字量等多种形式。与传统的单磁极一周期输出正余弦信号不同，本文在磁性编码器的基础上，研究了一种双轨道型码盘的磁编码器，利用游标卡尺原理实现了高分辨、突破了以单磁极为基础的编码器设计技术。单圈计量采用了拥有两个独立霍尔敏感器件的旋转编码器芯片，内置数字信号处理器，模拟、BISS、SSI或者SPI输出，绝对位置分辨率可达1位至18位，可在360度范围内实现绝对位置输出；增量式分辨率可达1至16位。针对18位绝对位置输出角度时，受到干扰较大，输出不稳定的问题，引入了ARM单片机STM32F103进行校准，稳定输出的角度值。

关键词：磁编码器 绝对位置 高分辨率 ARM

中图分类号：TN76 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0104-01

1 前言

磁编码器是替代光编码器、导电塑料电位器、旋转变压器、测速发电机高性价比的传感器。它可以分别从经济化、多功能化、信息化以及柔性化的程度上去进行改变。随着工控技术的不断发展，新的要求也在不断的出现。正因为这样，选用旋转编码器的应用的需求也就越来越突出。当然，有发展就有挑战，每一次技术的更新都会引起产品的除旧布新，旋转编码器零件供应商也不例外，当已有的产品不能解决实际中的问题时，市场的需求就会督促研发者进行新的测试，在电机，医疗机械，机器人，汽车等行业，对旋转编码器分辨率的要求越来越高。高精度、小型化必将成为旋转编码器的归宿，高分辨率磁编码器技术的瓶颈已经燃起。

2 18位分辨率编码器工作原理

芯片MU是IC-HAUS公司在最近几年刚研发成功的磁偏轴位置定义的集成霍尔传感器，与以往的单轨道采集信号不同，此霍尔传感器通过扫描两个独立轨道（即主、游标）得出一个机械内的绝对位置，利用游标卡尺原理确定每圈不同位置的“二进制代码”。该芯片内部，可自动对传感器信号进行一定程度的补偿以及纠正一些典型的信号错误。在一个正弦周期内，内部的12位转换器可提供高精度的基于主轨与游标轨的两个位置信号，游标轨上的计算引擎可在一个机械周期内计算绝对位置信号，并与主轨上信号同步。在数据传输的时候，可以用软件对接口的配置实现增量、模拟等信号传输。

绝对位置测量系统还包括一个的磁鼓部分，在旋转系统中，磁鼓具有两个轨道，外轨（主轨）32对磁极用于高精度位置定义，内轨（游标）31对磁极比主轨少一对磁极，用于计算磁鼓一圈内的绝对位置，这样，一圈之内的每个位置的“独特性”就被这两轨上的不同磁极数以游标的形式标记出来了。

3 编码器的设计与实现

18位分辨率编码器的设计中主要包括两部分：电路部分和机械部分，电路部分如图1所示，它包括信号采集，单片机处理数据，RS485发送数据，以及电源部分；机械部分如图2，主要包括轴承（①）和码盘（②表示主轨，③表示游标轨）。

4 结语

编码器分辨率的高低将直接影响用户的测量最小角度值，分辨率越高，所能测量的最小角度越小，造成的误差也就将越低。本产品经过单片机校准以后，信号更稳定，实用性也就越强，以其不一样的特色，应用前景也会不错。

参考文献

[1]杜颖财，王希军，王树洁，卢新然，梁立辉.增量式编码器自动检测系统[J].电子测量与仪器学报，2012，11：993-998.

[2]吕德刚.集成霍尔磁编码器的研究[D].哈尔滨工业大学，2009.

[3]吴忠，吕绪明.基于磁编码器的伺服电机速度及位置观测器设计[J].中国电机工程学报，2011，09：82-87.