#07
Off-Axis配置磁编码器

编码器基础知识

本篇是连载第七章,将继续向大家介绍我们以往总结的经验。

如果能帮助到想学习编码器、想了解其工作原理的人,将是我们的荣幸。

本章介绍Off-Axis配置磁编码器。

总结

  • Off-Axis配置磁编码器可以解放旋转轴的轴端,编码器整体可以更薄,可实现轴贯通。
  • 在Off-Axis配置下,利萨如曲线呈非常扭曲的椭圆,必须进行校正。
  • 计算补偿前先进行校准,要知道旋转角度θ 的误差是多少,需要掌握真实的角度信息(=参考值)。
图7-1 Off-Axis配置磁编码器的结构示意图 图7-1 Off-Axis配置磁编码器的结构示意图

第五章磁编码器的工作原理和特点中提到,旋转轴、永磁体及霍尔元件的中心呈同一直线的Shaft-End配置(轴端配置)是磁编码器的理想安装状态。理论上,利萨如图形呈正圆形,角度检测误差为零。

但Shaft-End配置下,编码器要安装在旋转轴的中心位置,旋转轴轴端不能做其他用途。为了避免这个问题,将编码器安装在偏离中心的位置,解放旋转轴轴端,这种安装方式叫做Off-Axis配置。

7-1. Off-Axis配置磁编码器的构造

使用由磁传感器(即霍尔元件)和永磁体构成的磁编码器,在Off-Axis配置下,如何将磁场分布变化转换成角度信息呢?接下来对其工作原理进行详细说明。霍尔元件是利用霍尔效应,输出与磁场强度等比的电压的磁传感器(霍尔元件的详细说明请见《磁传感器基础知识》,如有兴趣请参考)。

霍尔元件

磁编码器所使用的霍尔元件在第五章介绍过,主要是由铟锑(InSb)、镓砷(GaAs)、铟砷(InAs)、硅(Si)等半导体材料制成。另外,霍尔元件有能够检测纵向磁场强度和横向磁场强度这两种类型,Off-Axis配置下使用的是检测横向磁场的霍尔元件。

永磁体

图7-2 环形(圆环型)径向磁化的永磁体 图7-2 环形(圆环型)径向磁化的永磁体

磁编码器上使用的永磁体一般是圆盘形(硬币形),在圆盘的径向或轴向方向充磁。只要满足编码器工作所需的磁感应强度,就可以自由选择磁铁的材料和尺寸。

一般情况下,根据使用目的,可以从温度特性良好的钐钴(SmCo)系、小型轻量化的钕铁硼(Ne-Fe-B)系,及价格低廉的铁氧体系磁铁中选择。

永磁体和霍尔元件的配置

将环形永磁体安装在旋转轴上,而霍尔元件可随意安装在旋转轴外围的任意位置,这就是Off-Axis配置。这里列举的是将检测横向磁场强度的霍尔元件安装在环形磁铁侧面的例子。Off-Axis配置的优点是可以解放旋转轴轴端,可实现编码器整体的轻薄化,另外,如果将旋转轴做成空心轴,可以从内部走切屑液或电缆等,能节省空间。

图7-3 Off-Axis配置磁编码器 图7-3 Off-Axis配置磁编码器

7-2. Off-Axis配置磁编码器的工作原理

旋转运动产生的磁场分布变化

电机轴旋转时,安装在轴端的永磁体所产生的磁场也会旋转,而在旋转轴的中心区域,旋转磁场保持一定的强度不变。霍尔元件检测该磁场分布变化,将其转换成电气信号。由于霍尔元件只能检测单一方向的磁场强度,为了检测旋转位置,需要分别配置检测旋转磁场X轴方向磁场强度(Bx)和Y轴方向磁场强度(By)的霍尔元件。

θ = 0° θ = 0°
θ = 45° θ = 45°
θ = 90° θ = 90°
θ = 135° θ = 135°
θ = 180° θ = 180°

图7-4 Off-Axis配置下霍尔元件的输入磁场

将霍尔元件的电气信号转换成角度信息

霍尔元件将X轴和Y轴的磁场信息转换为电气信号,然后由AD转换器转换成数字信号后发送到运算电路,再使用三角函数换算成角度信息。X轴和Y轴相互垂直所合成的平面图形被称为利萨如图形(或利萨如曲线),Off-Axis配置下的利萨如图形呈非常扭曲的椭圆形。

这是因为,环形磁铁侧面的磁场强度和方向在不停变化的同时旋转,环形磁铁的旋转角度与霍尔元件的输入磁场方向不一致。假设X轴数值为Bx,Y轴数值为By,通过arctan(By/Bx)计算能得出旋转角 θ 的绝对角度,利萨如图形非常扭曲,说明旋转角度θ存在很大的误差。

图7-5a Off-Axis配置下X轴方向磁场Bx、Y轴方向磁场By 图7-5a Off-Axis配置下X轴方向磁场Bx、Y轴方向磁场By
图7-5b Off-Axis配置下的利萨如图形 图7-5b Off-Axis配置下的利萨如图形

校正霍尔元件的角度信息

Off-Axis配置下,旋转角度θ存在很大的角度误差,必须进行校正。校正方法大致分两种。一种是事先设定好旋转角度θ 与真实角度的对照表,参照表格信息校正曲线。
另一种方法是,根据旋转角度θ的误差信息,计算出补偿参数,通过将利萨如图形修正成正圆形的方式来消除角度误差。
无论是哪种方法,在计算补偿前都要先进行校准,要知道旋转角度θ 的误差究竟是多少,需要掌握真实的角度信息(=上帝视角、参考值)。一般情况下,可使用其他编码器或步进马达的角度指令信息作为参考值。

图7-6 校正成正圆形的利萨如图形 图7-6 校正成正圆形的利萨如图形

7-3. Off-Axis配置磁编码器的特点和主要应用

磁编码器用于检测磁场变化,在灰尘、油、水等环境下具有较强的耐受性。因此,适用于灰尘多的应用场景。Off-Axis配置编码器具有解放旋转轴轴端的优点,可以用在工业缝纫机的主马达上,或带电磁制动的马达上。另外,如果将旋转轴做成空心轴,可以从轴内部走切屑液或电缆,可使用在加工机械的马达主轴及机械臂上。

总结

  • Off-Axis配置磁编码器可以解放旋转轴的轴端,编码器整体可以更薄,可实现轴贯通。
  • 在Off-Axis配置下,利萨如曲线呈非常扭曲的椭圆,必须进行校正。
  • 计算补偿前先进行校准,要知道旋转角度θ 的误差是多少,需要掌握真实的角度信息(=上帝视角、参考值)。

本章介绍了Off-Axis配置磁编码器的工作原理和特点。
您是否对其工作原理、特点及应用有了相应的了解呢?

专栏2。干扰磁场的可视化

Shaft-End配置磁编码器,利萨如图形呈正圆形,角度误差为零。Off-Axis配置磁编码器,通过将利萨如图形校正为正圆形,来提高角度精度。另外,在第六章提到过,受干扰磁场影响,利萨如图形不呈正圆形,会产生角度误差。利用磁编码器的这个特性,通过监控利萨如图形的圆度变化,可以判断编码器的输入磁场是否正常,即可实现干扰磁场的可视化。例如,在程序中设定利萨如图形的变量报警阀值,可以提前对系统进行维护。