磁编码器技术现状及发展研究

梁芳萍，曹广忠，赵 磊，孙俊缔，胡 勇，王 芸

(1.深圳大学机电与控制工程学院，广东省电磁控制与智能机器人重点实验室，广东 深圳 518060；2.深圳市四方电气技术有限公司，广东 深圳 518126)

0 引言

编码器、计算机技术和数字信号处理技术相结合，可将机械运动中的位移、速度、加速度等物理量转变为数字电信号，从而快速、及时、精确地实现位置检测与伺服控制[1]。

按照工作原理，可以将编码器分为3类[2-3]：基于电磁式变压原理的旋转变压器、基于光电转换原理的光电编码器[4-5]以及基于磁敏感元件感应磁场变化原理的磁编码器。其中，旋转变压器对环境的适应性好、抗干扰能力强[6]，常用于恶劣的工作环境中。但由于旋转变压器体积较大、检测精度较低，无法适用于对体积、精度要求较高的场合。光电编码器的检测精度高，占据着位置传感器市场的主导地位[7]。但由于其光学结构抗冲击、抗腐蚀能力差，对工作环境要求高，难以在潮湿、粉尘以及振动等恶劣环境中工作，适用范围受限。此外，光电编码器的结构较为复杂，对工装要求高，且成本较高[8-9]。

为了实现编码器的低成本、高可靠性、高分辨率和小型化，磁编码器应运而生[10]。磁编码器是一类新型的位置检测传感器，利用磁敏感元件感应磁极运动产生的磁场变化而产生的磁电阻效应，测量运动物体的位移变化[11]。磁编码器结构简单、紧凑，具有抗干扰能力强、响应速度快、体积小和成本低等特点[12-13]。在高精度测量和控制领域中，磁编码器已经成为不可或缺的部分，被广泛应用于军事、机电、信息、航空、建筑、医疗等领域[14-15]。

本文研究了磁编码器的工作原理与分类，对比了磁编码器的三种位置解算方法，讨论了磁编码器的误差处理技术，分析了国内外磁编码器产品，并展望了磁编码器的发展趋势。

1 磁编码器工作原理

磁编码器使用充磁磁极代替光电编码器的光学码盘，将磁极与被检测对象连接起来。当磁极随着被检测对象运动时，磁极产生周期性变化的空间磁场。该磁场作用于磁敏感元件上，使元件内部的电势差或电阻值发生变化，输出相应的电信号，反映被检测对象的位置、速度和加速度等运动信息。

磁极充磁的均匀性、不同轨道数的磁极、磁极对数等[16]因素决定了磁编码器的精度、分辨率等性能指标。磁极充磁方向可分为径向和轴向，对应的磁敏感元件安装位置不同。磁极的轴向充磁结构如图1所示。磁极的径向充磁结构如图2所示。

图1 磁极的轴向充磁结构

图2 磁极的径向充磁结构

2 磁编码器分类

磁敏感元件分为磁阻元件和霍尔元件。根据使用的磁敏感元件不同，磁编码器可分为磁敏电阻式磁编码器和霍尔式磁编码器[17]。

2.1 磁敏电阻式磁编码器

磁敏电阻式磁编码器又称为磁阻式磁编码器，根据磁阻元件在不同的磁场强度下产生的磁阻效应，即元件电阻值随磁场变化而变化的特性来检测位置信息[17]。磁阻式磁编码器结构如图3所示。

图3 磁阻式磁编码器结构

图3中，多极磁化磁极为径向充磁，与伺服电机的凸轴相连，工作时随伺服电机转动；磁阻元件安装在磁极的径向方向，随着感应磁场的变化，元件的电阻值发生变化，信号处理电路输出电压随之变化。

磁阻式磁编码器具有灵敏度高、温度特性良好、可检测空间磁场范围广等优点，作为传统磁编码器的主要代表，已被广泛应用于工程技术相关的多个领域。虽然磁阻式磁编码器的技术发展相对成熟，但由于制造工艺复杂、成本较高，限制了它在工业领域更大范围的应用。

2.2 霍尔式磁编码器

霍尔式磁编码器以霍尔元件为磁敏感元件[18]，通过感应随被检测对象运动而变化的磁场，产生霍尔效应，即利用霍尔元件随磁场变化产生电势差的特性来检测位置信息。霍尔式磁编码器结构如图4所示。

图4 霍尔式磁编码器结构

图4中，单极磁化磁极为轴向充磁，与凸轴相连，工作时随被检测对象转动。霍尔元件组件安装在磁极的轴向方向，随着感应磁场的变化，元件的电压值发生变化。近年来，霍尔式磁编码器因其结构简单、体积小和生产成本低等特点而越发受到人们关注。

3 磁编码器的三种位置解算方法

从磁敏感元件检测到的磁场信号中解算出位置信息，是磁编码器的关键技术问题[11,17,19]。目前，磁编码器位置解算方法主要分为三种：标定查表法、反正切法、锁相环法。

磁编码器的理想输出信号为两路正交的正、余弦信号[20]，如图5所示。

图5 磁编码器的理想输出信号

针对磁编码器输出信号，下面分别分析三种位置解算方法的解算原理，并对比其优缺点。

3.1 标定查表法

标定查表法[21]使用高精度的轴角传感器对磁编码器输出的电压信号与电机运动角度进行标定，并把角度数据存储在可擦除、可编程的存储器中。工作过程中，根据磁编码器输出的电压信号分区间查表，即可得到电机旋转的角度值。

3.2 反正切法

磁编码器的输出信号可表示为正弦、余弦函数，如式(1)所示。

(1)

式中：Um为输出电压的幅值；θ为被检测对象运动的角位移；UA与UB为磁敏感元件的输出电压。

利用反正切函数即可求取输出信号所对应的角度值，如式(2)所示。

(2)

反正切法[22]能在较短的计算时间内解算磁编码器的输出信号。但反正切法是一种开环的位置解算方法，受误差影响较大，会严重影响检测输出精度。一般将此方法用于理想情况，以验证结果。

3.3 锁相环法

锁相环法是一种闭环的位置解算方法[23-24]。锁相环的输入信号为磁编码器的两路输出信号。鉴相器将锁相环的输入与输出信号进行相位比较；环路滤波器滤除相位差中的噪声和高频分量；最后根据相位差调整压控振荡器的输出相位。当环路中相位锁定时，输入信号与输出信号的相差为0，即压控振荡器的输出相位跟踪输入信号的相位，以此实现精确的位置解算。锁相环法原理如图6所示。

图6 锁相环法原理

图6中，将磁编码器检测输出的sinθ、cosθ作为锁相环的输入信号，与输出反馈的两路信号通过相乘器、减法器进行相位比较，得到误差δ，如式(3)所示。

sinθcosφ-cosθsinφ=sin(θ-φ)=sinδ

(3)

误差δ经过环路滤波器与压控振荡器后，输出角度估计值φ。

综上所述，三种位置解算方法的对比分析如表1所示。

表1 三种位置解算方法的对比分析

由表1可知，锁相环法具有较高的抗干扰能力和高精度的解算能力，是目前磁编码器位置解算的关键方法。

4 磁编码器的误差处理技术

受到磁极极数、轨道数、磁敏感元件的安装偏差等因素[25-26]影响，磁编码器的输出信号中通常存在谐波失真、幅值偏差、相位偏移以及随机噪声[16,19,27]，会引起磁编码器的位置检测误差。因此，对磁编码器的误差进行处理，以提高检测精度，是磁编码器的重点研究内容。

4.1 谐波失真的误差处理技术

磁编码器应用于实际的工业控制系统时，在信号检测与采集的过程中，不可避免地受到来自实际环境的谐波干扰，如磁场、电路系统以及空气中大量的1次、2次、多次谐波等，造成磁编码器输出信号的谐波失真。对此，可使用滤波和补偿的方法对谐波失真进行处理。

文献[28]首次提出基于两级的双层径向基函数(radical basis function，RBF)神经网络对正交信号进行在线自适应校正和插值处理，以提高磁编码器的分辨率。第一级RBF用于自适应校正编码器信号中的均值、波形失真等缺陷。第二级RBF作为推理机，自适应地映射正交的磁编码器信号到更高阶正弦波，对谐波失真进行处理。但是，这种方法的处理精度会受到磁编码器制造技术的限制。

文献[29]提出了1种新型的霍尔式磁编码器：使用3个或6个霍尔传感器，构成等边三角形，可消减3次和3的倍数次谐波。偶数次谐波则通过1组互补的霍尔传感器来处理，从而达到消减谐波失真、提高磁编码器精度的效果。

文献[30]提出了双锁相环法，对局部非理想性误差进行了研究和补偿，利用锁相环良好的鲁棒性和环路滤波器处理谐波失真。但该方法无法同时处理随机噪声的干扰，其处理输出只能近似于真实值。

文献[31]提出一种双磁道多极游标绝对磁编码器。首先，利用锁相环来估计相位，处理非理想性误差。然后，利用非线性相位补偿来矫正因谐波存在而偏离的游标。最后，利用极距补偿来调节锁相环的主相角，进而消减谐波失真。

4.2 幅值偏差与相位偏移的误差处理技术

由于磁敏感元件之间安装的误差，如2个霍尔元件之间没有严格进行正交安装，极易造成相位偏移。此外，磁敏感元件与磁极之间的安装偏差，如安装的平行偏移会造成幅值偏差。这2种偏差可通过滤波的方法进行处理。

文献[32]提出1种基于优化理论的编码补偿器，用于校正磁编码器输出的非理想信号，能有效消减输出信号中的幅值偏差和相位偏移。但该方法建立在查表的基础上，需要耗费大量的存储单元。

文献[33]提出了自校正和自适应带宽锁相环算法，利用自适应带宽锁相环算法对系统的相位进行平滑估计。自适应带宽锁相环算法根据相位检测器的相位误差对滤波器的参数进行适当调整，从而消减幅值偏差和相位偏移。

文献[34]提出了1种基于三阶锁相环的自适应线性神经元法。该锁相环具有鲁棒滤波功能，能够消减干扰、消减幅值偏差和相位偏移，从而提高磁编码器的精度。

4.3 随机噪声的误差处理技术

在磁编码器实际工作过程中，随机噪声的产生与影响不可避免。随机噪声可能引起谐波失真，直接影响输出信号的准确性，使得检测精度降低。对此，可采用滤波和补偿的方法进行处理。

文献[33]提出了自校正和自适应带宽锁相环算法，自动校准和降噪，对输出位置进行精确估计，增加输入信号的频率以提高分辨率。

文献[34]提出了基于三阶锁相环的自适应线性神经元法，利用锁相环的鲁棒滤波功能，消减频率斜坡段的噪声和直流误差，对磁编码器的输出信号进行补偿，从而提高磁编码器的精度。

文献[35]采用自适应线性神经网络与模糊锁相环结合，对锁相环的带宽进行调整、优化锁相环捕获时间并增强对噪声的抑制，进而消减输出信号中的随机噪声，有效减小了非理想性误差的影响，提高了磁编码器的精度。

文献[36]提出了1种补偿随机噪声的先进性自适应数字锁相环算法，利用锁相环的鲁棒滤波特性，可以有效消减噪声，提高磁编码器的精度。它还采用了高速的信号跟踪，没有时间延迟。该算法有效减少了计算的负担，使其易于在低成本处理器中实现。

从诸多研究中不难发现，大多数学者偏向于利用锁相环算法及其改进算法来进行磁编码器的位置解算和误差处理，并且改进的锁相环算法能消减大多数误差，是磁编码器误差处理的主要方法。但是无论哪一种误差处理方法都不能很好地对所有误差进行消减，总有1～2种误差无法兼顾处理。

5 国内外磁编码器产品对比分析

磁编码器是随着光电编码器一起发展的一类传感器[37]，由于抗干扰能力强、体积小等优点，逐渐成为研究的重点。磁编码器的性能指标有分辨率、精度、灵敏度、最大旋转速度、最大角加速度、通信速度、工作电流和可检测的磁场范围等。分辨率决定了磁编码器可测量的最小角度[38]，是磁编码器的关键指标之一。但与光电编码器相比，磁编码器的分辨率仍处于较低的水平，尚不能满足高端场景需求。因此，提高分辨率是国内外研究与产品技术攻关的重点。

目前，主要有德国、英国、美国、中国和日本等国家对磁编码器进行研究、设计和制造。传统的磁编码器多数是体积小、分辨率低、价格低的产品。虽然近年来已有较高分辨率的磁编码器被开发，但其分辨率仍不能满足超高检测精度的要求。

5.1 国内磁编码器品牌及产品对比

国内主要有台州西安微电机研究所、长春第一光学仪器厂、深圳四方电气技术有限公司和北京金钢科技有限公司等对磁编码器展开研究和生产。

深圳四方电气技术有限公司的磁编码器产品主要是以磁阻传感器为磁敏感元件的绝对式磁编码器。其分辨率可达到17位，主要应用于伺服系统的闭环控制。

北京金钢科技有限公司的磁编码器产品主要是MBP型号的磁编码器，属于印制线路板(printed circuit board,PCB)超高精度型，分辨率高达18～20位，厚度仅7 mm，且具有磁干扰屏蔽技术，可以在强磁干扰的环境中使用，扩大了磁编码器的应用领域，符合工业上小型化、高可靠性的需求。根据最新调研，北京金钢科技有限公司研制的磁环编码器的分辨率可达26位，主要用于军工以及机器人领域。

5.2 国外磁编码器品牌及产品对比

奥地利AMS公司的磁性角度传感器的分辨率达到14位，绝对角度位置以脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)、UVW等不同方式输出。

德国Hengstler公司的非接触型磁编码器的分辨率可达17位，可自激活，能承受非常大的轴向和径向负载，广泛应用于建筑机械、起重机、风电场等场景。

英国Renishaw公司的磁编码器产品主要是磁旋转编码器和磁环。其中，AksIM霍尔式磁编码器的分辨率可达20位，能应用于赛车运动、安全摄像机等场景。

日本公司先后研制出10位的增量型磁编码器、16位的带温度补偿回路和电路细分的正弦波磁编码器，以及20位的高分辨率磁编码器。其中，Yamaha公司研制开发的YRE-200系列磁编码器的分辨率高达20位。

5.3 国内外磁编码器产品对比

国内外磁编码器产品对比如表2所示。

表2 国内外磁编码器产品对比

从表2可以看出，目前国内外磁编码器产品偏向于体积更小的霍尔式磁编码器，分辨率主要为12～20位。其中，中国北京金钢科技有限公司的磁环编码器分辨率最高，可达26位。

6 磁编码器的发展趋势

虽然市场上已生产出各种类型磁编码器产品，能满足一定的应用需求，但是对于一些存在高精度要求、对体积具有严苛要求的应用场景，目前的磁编码器产品还不能完全适用。对于高分辨率、高精度的磁编码器，位置解算方法以及误差处理技术是关键。对此，仍需发展更高阶的锁相环法或将其与其他算法进行结合，以提高位置解算的精度并有效处理误差，进而提高分辨率。

综上所述，可概括出以下磁编码器的发展趋势。

①提高分辨率、检测精度。提高分辨率不仅是提高精度的基础，更是磁编码器的使命。随着对控制精确度要求的提高，高精度的测量技术与产品在不断发展，磁编码器需要不断提高自身的分辨率以达到更高的检测精度，适应高精度的发展趋势，满足未来广阔市场中更多领域的应用需求。

②小型化、集成化。作为检测与控制系统的重要部件，体积越小的磁编码器，其应用领域越广，越符合未来产品的要求。此外，磁编码器已经逐渐被集成到控制系统中进行位置信息的直接检测与反馈，未来将不再是磁编码器单独对系统位置进行解算再通过外部电路显示和反馈信息。磁编码器与被检测对象进行集成或成为一大发展方向。

③发展更简便、有效的位置解算方法与误差处理技术。当集成化成为发展趋势时，要求磁编码器检测的位置信息更加精准，因此需要更加简便、有效的磁编码器位置解算方法与误差处理技术。过于复杂的方法不但难以实现，而且电路十分复杂，难以集成。因此，需要进一步探索，在研究更加有效的位置解算方法的基础上，尽可能简化其误差处理技术与实现方法。

7 结论

本文对磁编码器的技术现状与发展进行了深入的分析与总结。首先，对比了磁编码器的三种位置解算方法。其中，锁相环法解算精度高，研究与应用最为广泛。其次，分析了磁编码器位置解算的误差来源，锁相环法与自适应算法相结合的误差处理方法成为主流。然后，调研了国内外关于磁编码器产品的研究并重点就其分辨率进行了对比，市场倾向于体积更小的霍尔式磁编码器。其中，中国北京金钢科技有限公司的磁环编码器分辨率最高，可达26位。最后，对磁编码器的发展趋势进行了展望。总的来说，发展更高效的位置解算方法与误差处理技术，是实现磁编码器高分辨率、高检测精度、小型化、集成化的关键。本文的研究在我国磁编码器的设计与研发、工业控制与智能制造等方面具有一定参考价值。