梁芳萍,曹廣忠,趙 磊,孫俊締,胡 勇,王 蕓
(1.深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院,廣東省電磁控制與智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 深圳 518060;2.深圳市四方電氣技術(shù)有限公司,廣東 深圳 518126)
編碼器、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合,可將機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的位移、速度、加速度等物理量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電信號(hào),從而快速、及時(shí)、精確地實(shí)現(xiàn)位置檢測與伺服控制[1]。
按照工作原理,可以將編碼器分為3類[2-3]:基于電磁式變壓原理的旋轉(zhuǎn)變壓器、基于光電轉(zhuǎn)換原理的光電編碼器[4-5]以及基于磁敏感元件感應(yīng)磁場變化原理的磁編碼器。其中,旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好、抗干擾能力強(qiáng)[6],常用于惡劣的工作環(huán)境中。但由于旋轉(zhuǎn)變壓器體積較大、檢測精度較低,無法適用于對(duì)體積、精度要求較高的場合。光電編碼器的檢測精度高,占據(jù)著位置傳感器市場的主導(dǎo)地位[7]。但由于其光學(xué)結(jié)構(gòu)抗沖擊、抗腐蝕能力差,對(duì)工作環(huán)境要求高,難以在潮濕、粉塵以及振動(dòng)等惡劣環(huán)境中工作,適用范圍受限。此外,光電編碼器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對(duì)工裝要求高,且成本較高[8-9]。
為了實(shí)現(xiàn)編碼器的低成本、高可靠性、高分辨率和小型化,磁編碼器應(yīng)運(yùn)而生[10]。磁編碼器是一類新型的位置檢測傳感器,利用磁敏感元件感應(yīng)磁極運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場變化而產(chǎn)生的磁電阻效應(yīng),測量運(yùn)動(dòng)物體的位移變化[11]。磁編碼器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,具有抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、體積小和成本低等特點(diǎn)[12-13]。在高精度測量和控制領(lǐng)域中,磁編碼器已經(jīng)成為不可或缺的部分,被廣泛應(yīng)用于軍事、機(jī)電、信息、航空、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域[14-15]。
本文研究了磁編碼器的工作原理與分類,對(duì)比了磁編碼器的三種位置解算方法,討論了磁編碼器的誤差處理技術(shù),分析了國內(nèi)外磁編碼器產(chǎn)品,并展望了磁編碼器的發(fā)展趨勢(shì)。
磁編碼器使用充磁磁極代替光電編碼器的光學(xué)碼盤,將磁極與被檢測對(duì)象連接起來。當(dāng)磁極隨著被檢測對(duì)象運(yùn)動(dòng)時(shí),磁極產(chǎn)生周期性變化的空間磁場。該磁場作用于磁敏感元件上,使元件內(nèi)部的電勢(shì)差或電阻值發(fā)生變化,輸出相應(yīng)的電信號(hào),反映被檢測對(duì)象的位置、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)信息。
磁極充磁的均勻性、不同軌道數(shù)的磁極、磁極對(duì)數(shù)等[16]因素決定了磁編碼器的精度、分辨率等性能指標(biāo)。磁極充磁方向可分為徑向和軸向,對(duì)應(yīng)的磁敏感元件安裝位置不同。磁極的軸向充磁結(jié)構(gòu)如圖1所示。磁極的徑向充磁結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 磁極的軸向充磁結(jié)構(gòu)
圖2 磁極的徑向充磁結(jié)構(gòu)
磁敏感元件分為磁阻元件和霍爾元件。根據(jù)使用的磁敏感元件不同,磁編碼器可分為磁敏電阻式磁編碼器和霍爾式磁編碼器[17]。
磁敏電阻式磁編碼器又稱為磁阻式磁編碼器,根據(jù)磁阻元件在不同的磁場強(qiáng)度下產(chǎn)生的磁阻效應(yīng),即元件電阻值隨磁場變化而變化的特性來檢測位置信息[17]。磁阻式磁編碼器結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 磁阻式磁編碼器結(jié)構(gòu)
圖3中,多極磁化磁極為徑向充磁,與伺服電機(jī)的凸軸相連,工作時(shí)隨伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);磁阻元件安裝在磁極的徑向方向,隨著感應(yīng)磁場的變化,元件的電阻值發(fā)生變化,信號(hào)處理電路輸出電壓隨之變化。
磁阻式磁編碼器具有靈敏度高、溫度特性良好、可檢測空間磁場范圍廣等優(yōu)點(diǎn),作為傳統(tǒng)磁編碼器的主要代表,已被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)相關(guān)的多個(gè)領(lǐng)域。雖然磁阻式磁編碼器的技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟,但由于制造工藝復(fù)雜、成本較高,限制了它在工業(yè)領(lǐng)域更大范圍的應(yīng)用。
霍爾式磁編碼器以霍爾元件為磁敏感元件[18],通過感應(yīng)隨被檢測對(duì)象運(yùn)動(dòng)而變化的磁場,產(chǎn)生霍爾效應(yīng),即利用霍爾元件隨磁場變化產(chǎn)生電勢(shì)差的特性來檢測位置信息?;魻柺酱啪幋a器結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 霍爾式磁編碼器結(jié)構(gòu)
圖4中,單極磁化磁極為軸向充磁,與凸軸相連,工作時(shí)隨被檢測對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)。霍爾元件組件安裝在磁極的軸向方向,隨著感應(yīng)磁場的變化,元件的電壓值發(fā)生變化。近年來,霍爾式磁編碼器因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小和生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)而越發(fā)受到人們關(guān)注。
從磁敏感元件檢測到的磁場信號(hào)中解算出位置信息,是磁編碼器的關(guān)鍵技術(shù)問題[11,17,19]。目前,磁編碼器位置解算方法主要分為三種:標(biāo)定查表法、反正切法、鎖相環(huán)法。
磁編碼器的理想輸出信號(hào)為兩路正交的正、余弦信號(hào)[20],如圖5所示。
圖5 磁編碼器的理想輸出信號(hào)
針對(duì)磁編碼器輸出信號(hào),下面分別分析三種位置解算方法的解算原理,并對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)。
標(biāo)定查表法[21]使用高精度的軸角傳感器對(duì)磁編碼器輸出的電壓信號(hào)與電機(jī)運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行標(biāo)定,并把角度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在可擦除、可編程的存儲(chǔ)器中。工作過程中,根據(jù)磁編碼器輸出的電壓信號(hào)分區(qū)間查表,即可得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度值。
磁編碼器的輸出信號(hào)可表示為正弦、余弦函數(shù),如式(1)所示。
(1)
式中:Um為輸出電壓的幅值;θ為被檢測對(duì)象運(yùn)動(dòng)的角位移;UA與UB為磁敏感元件的輸出電壓。
利用反正切函數(shù)即可求取輸出信號(hào)所對(duì)應(yīng)的角度值,如式(2)所示。
(2)
反正切法[22]能在較短的計(jì)算時(shí)間內(nèi)解算磁編碼器的輸出信號(hào)。但反正切法是一種開環(huán)的位置解算方法,受誤差影響較大,會(huì)嚴(yán)重影響檢測輸出精度。一般將此方法用于理想情況,以驗(yàn)證結(jié)果。
鎖相環(huán)法是一種閉環(huán)的位置解算方法[23-24]。鎖相環(huán)的輸入信號(hào)為磁編碼器的兩路輸出信號(hào)。鑒相器將鎖相環(huán)的輸入與輸出信號(hào)進(jìn)行相位比較;環(huán)路濾波器濾除相位差中的噪聲和高頻分量;最后根據(jù)相位差調(diào)整壓控振蕩器的輸出相位。當(dāng)環(huán)路中相位鎖定時(shí),輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的相差為0,即壓控振蕩器的輸出相位跟蹤輸入信號(hào)的相位,以此實(shí)現(xiàn)精確的位置解算。鎖相環(huán)法原理如圖6所示。
圖6 鎖相環(huán)法原理
圖6中,將磁編碼器檢測輸出的sinθ、cosθ作為鎖相環(huán)的輸入信號(hào),與輸出反饋的兩路信號(hào)通過相乘器、減法器進(jìn)行相位比較,得到誤差δ,如式(3)所示。
sinθcosφ-cosθsinφ=sin(θ-φ)=sinδ
(3)
誤差δ經(jīng)過環(huán)路濾波器與壓控振蕩器后,輸出角度估計(jì)值φ。
綜上所述,三種位置解算方法的對(duì)比分析如表1所示。
表1 三種位置解算方法的對(duì)比分析
由表1可知,鎖相環(huán)法具有較高的抗干擾能力和高精度的解算能力,是目前磁編碼器位置解算的關(guān)鍵方法。
受到磁極極數(shù)、軌道數(shù)、磁敏感元件的安裝偏差等因素[25-26]影響,磁編碼器的輸出信號(hào)中通常存在諧波失真、幅值偏差、相位偏移以及隨機(jī)噪聲[16,19,27],會(huì)引起磁編碼器的位置檢測誤差。因此,對(duì)磁編碼器的誤差進(jìn)行處理,以提高檢測精度,是磁編碼器的重點(diǎn)研究內(nèi)容。
磁編碼器應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)控制系統(tǒng)時(shí),在信號(hào)檢測與采集的過程中,不可避免地受到來自實(shí)際環(huán)境的諧波干擾,如磁場、電路系統(tǒng)以及空氣中大量的1次、2次、多次諧波等,造成磁編碼器輸出信號(hào)的諧波失真。對(duì)此,可使用濾波和補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)諧波失真進(jìn)行處理。
文獻(xiàn)[28]首次提出基于兩級(jí)的雙層徑向基函數(shù)(radical basis function,RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)正交信號(hào)進(jìn)行在線自適應(yīng)校正和插值處理,以提高磁編碼器的分辨率。第一級(jí)RBF用于自適應(yīng)校正編碼器信號(hào)中的均值、波形失真等缺陷。第二級(jí)RBF作為推理機(jī),自適應(yīng)地映射正交的磁編碼器信號(hào)到更高階正弦波,對(duì)諧波失真進(jìn)行處理。但是,這種方法的處理精度會(huì)受到磁編碼器制造技術(shù)的限制。
文獻(xiàn)[29]提出了1種新型的霍爾式磁編碼器:使用3個(gè)或6個(gè)霍爾傳感器,構(gòu)成等邊三角形,可消減3次和3的倍數(shù)次諧波。偶數(shù)次諧波則通過1組互補(bǔ)的霍爾傳感器來處理,從而達(dá)到消減諧波失真、提高磁編碼器精度的效果。
文獻(xiàn)[30]提出了雙鎖相環(huán)法,對(duì)局部非理想性誤差進(jìn)行了研究和補(bǔ)償,利用鎖相環(huán)良好的魯棒性和環(huán)路濾波器處理諧波失真。但該方法無法同時(shí)處理隨機(jī)噪聲的干擾,其處理輸出只能近似于真實(shí)值。
文獻(xiàn)[31]提出一種雙磁道多極游標(biāo)絕對(duì)磁編碼器。首先,利用鎖相環(huán)來估計(jì)相位,處理非理想性誤差。然后,利用非線性相位補(bǔ)償來矯正因諧波存在而偏離的游標(biāo)。最后,利用極距補(bǔ)償來調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的主相角,進(jìn)而消減諧波失真。
由于磁敏感元件之間安裝的誤差,如2個(gè)霍爾元件之間沒有嚴(yán)格進(jìn)行正交安裝,極易造成相位偏移。此外,磁敏感元件與磁極之間的安裝偏差,如安裝的平行偏移會(huì)造成幅值偏差。這2種偏差可通過濾波的方法進(jìn)行處理。
文獻(xiàn)[32]提出1種基于優(yōu)化理論的編碼補(bǔ)償器,用于校正磁編碼器輸出的非理想信號(hào),能有效消減輸出信號(hào)中的幅值偏差和相位偏移。但該方法建立在查表的基礎(chǔ)上,需要耗費(fèi)大量的存儲(chǔ)單元。
文獻(xiàn)[33]提出了自校正和自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)算法,利用自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)算法對(duì)系統(tǒng)的相位進(jìn)行平滑估計(jì)。自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)算法根據(jù)相位檢測器的相位誤差對(duì)濾波器的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,從而消減幅值偏差和相位偏移。
文獻(xiàn)[34]提出了1種基于三階鎖相環(huán)的自適應(yīng)線性神經(jīng)元法。該鎖相環(huán)具有魯棒濾波功能,能夠消減干擾、消減幅值偏差和相位偏移,從而提高磁編碼器的精度。
在磁編碼器實(shí)際工作過程中,隨機(jī)噪聲的產(chǎn)生與影響不可避免。隨機(jī)噪聲可能引起諧波失真,直接影響輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性,使得檢測精度降低。對(duì)此,可采用濾波和補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理。
文獻(xiàn)[33]提出了自校正和自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)算法,自動(dòng)校準(zhǔn)和降噪,對(duì)輸出位置進(jìn)行精確估計(jì),增加輸入信號(hào)的頻率以提高分辨率。
文獻(xiàn)[34]提出了基于三階鎖相環(huán)的自適應(yīng)線性神經(jīng)元法,利用鎖相環(huán)的魯棒濾波功能,消減頻率斜坡段的噪聲和直流誤差,對(duì)磁編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償,從而提高磁編碼器的精度。
文獻(xiàn)[35]采用自適應(yīng)線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊鎖相環(huán)結(jié)合,對(duì)鎖相環(huán)的帶寬進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化鎖相環(huán)捕獲時(shí)間并增強(qiáng)對(duì)噪聲的抑制,進(jìn)而消減輸出信號(hào)中的隨機(jī)噪聲,有效減小了非理想性誤差的影響,提高了磁編碼器的精度。
文獻(xiàn)[36]提出了1種補(bǔ)償隨機(jī)噪聲的先進(jìn)性自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)算法,利用鎖相環(huán)的魯棒濾波特性,可以有效消減噪聲,提高磁編碼器的精度。它還采用了高速的信號(hào)跟蹤,沒有時(shí)間延遲。該算法有效減少了計(jì)算的負(fù)擔(dān),使其易于在低成本處理器中實(shí)現(xiàn)。
從諸多研究中不難發(fā)現(xiàn),大多數(shù)學(xué)者偏向于利用鎖相環(huán)算法及其改進(jìn)算法來進(jìn)行磁編碼器的位置解算和誤差處理,并且改進(jìn)的鎖相環(huán)算法能消減大多數(shù)誤差,是磁編碼器誤差處理的主要方法。但是無論哪一種誤差處理方法都不能很好地對(duì)所有誤差進(jìn)行消減,總有1~2種誤差無法兼顧處理。
磁編碼器是隨著光電編碼器一起發(fā)展的一類傳感器[37],由于抗干擾能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為研究的重點(diǎn)。磁編碼器的性能指標(biāo)有分辨率、精度、靈敏度、最大旋轉(zhuǎn)速度、最大角加速度、通信速度、工作電流和可檢測的磁場范圍等。分辨率決定了磁編碼器可測量的最小角度[38],是磁編碼器的關(guān)鍵指標(biāo)之一。但與光電編碼器相比,磁編碼器的分辨率仍處于較低的水平,尚不能滿足高端場景需求。因此,提高分辨率是國內(nèi)外研究與產(chǎn)品技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。
目前,主要有德國、英國、美國、中國和日本等國家對(duì)磁編碼器進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)和制造。傳統(tǒng)的磁編碼器多數(shù)是體積小、分辨率低、價(jià)格低的產(chǎn)品。雖然近年來已有較高分辨率的磁編碼器被開發(fā),但其分辨率仍不能滿足超高檢測精度的要求。
國內(nèi)主要有臺(tái)州西安微電機(jī)研究所、長春第一光學(xué)儀器廠、深圳四方電氣技術(shù)有限公司和北京金鋼科技有限公司等對(duì)磁編碼器展開研究和生產(chǎn)。
深圳四方電氣技術(shù)有限公司的磁編碼器產(chǎn)品主要是以磁阻傳感器為磁敏感元件的絕對(duì)式磁編碼器。其分辨率可達(dá)到17位,主要應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
北京金鋼科技有限公司的磁編碼器產(chǎn)品主要是MBP型號(hào)的磁編碼器,屬于印制線路板(printed circuit board,PCB)超高精度型,分辨率高達(dá)18~20位,厚度僅7 mm,且具有磁干擾屏蔽技術(shù),可以在強(qiáng)磁干擾的環(huán)境中使用,擴(kuò)大了磁編碼器的應(yīng)用領(lǐng)域,符合工業(yè)上小型化、高可靠性的需求。根據(jù)最新調(diào)研,北京金鋼科技有限公司研制的磁環(huán)編碼器的分辨率可達(dá)26位,主要用于軍工以及機(jī)器人領(lǐng)域。
奧地利AMS公司的磁性角度傳感器的分辨率達(dá)到14位,絕對(duì)角度位置以脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)、UVW等不同方式輸出。
德國Hengstler公司的非接觸型磁編碼器的分辨率可達(dá)17位,可自激活,能承受非常大的軸向和徑向負(fù)載,廣泛應(yīng)用于建筑機(jī)械、起重機(jī)、風(fēng)電場等場景。
英國Renishaw公司的磁編碼器產(chǎn)品主要是磁旋轉(zhuǎn)編碼器和磁環(huán)。其中,AksIM霍爾式磁編碼器的分辨率可達(dá)20位,能應(yīng)用于賽車運(yùn)動(dòng)、安全攝像機(jī)等場景。
日本公司先后研制出10位的增量型磁編碼器、16位的帶溫度補(bǔ)償回路和電路細(xì)分的正弦波磁編碼器,以及20位的高分辨率磁編碼器。其中,Yamaha公司研制開發(fā)的YRE-200系列磁編碼器的分辨率高達(dá)20位。
國內(nèi)外磁編碼器產(chǎn)品對(duì)比如表2所示。
表2 國內(nèi)外磁編碼器產(chǎn)品對(duì)比
從表2可以看出,目前國內(nèi)外磁編碼器產(chǎn)品偏向于體積更小的霍爾式磁編碼器,分辨率主要為12~20位。其中,中國北京金鋼科技有限公司的磁環(huán)編碼器分辨率最高,可達(dá)26位。
雖然市場上已生產(chǎn)出各種類型磁編碼器產(chǎn)品,能滿足一定的應(yīng)用需求,但是對(duì)于一些存在高精度要求、對(duì)體積具有嚴(yán)苛要求的應(yīng)用場景,目前的磁編碼器產(chǎn)品還不能完全適用。對(duì)于高分辨率、高精度的磁編碼器,位置解算方法以及誤差處理技術(shù)是關(guān)鍵。對(duì)此,仍需發(fā)展更高階的鎖相環(huán)法或?qū)⑵渑c其他算法進(jìn)行結(jié)合,以提高位置解算的精度并有效處理誤差,進(jìn)而提高分辨率。
綜上所述,可概括出以下磁編碼器的發(fā)展趨勢(shì)。
①提高分辨率、檢測精度。提高分辨率不僅是提高精度的基礎(chǔ),更是磁編碼器的使命。隨著對(duì)控制精確度要求的提高,高精度的測量技術(shù)與產(chǎn)品在不斷發(fā)展,磁編碼器需要不斷提高自身的分辨率以達(dá)到更高的檢測精度,適應(yīng)高精度的發(fā)展趨勢(shì),滿足未來廣闊市場中更多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
②小型化、集成化。作為檢測與控制系統(tǒng)的重要部件,體積越小的磁編碼器,其應(yīng)用領(lǐng)域越廣,越符合未來產(chǎn)品的要求。此外,磁編碼器已經(jīng)逐漸被集成到控制系統(tǒng)中進(jìn)行位置信息的直接檢測與反饋,未來將不再是磁編碼器單獨(dú)對(duì)系統(tǒng)位置進(jìn)行解算再通過外部電路顯示和反饋信息。磁編碼器與被檢測對(duì)象進(jìn)行集成或成為一大發(fā)展方向。
③發(fā)展更簡便、有效的位置解算方法與誤差處理技術(shù)。當(dāng)集成化成為發(fā)展趨勢(shì)時(shí),要求磁編碼器檢測的位置信息更加精準(zhǔn),因此需要更加簡便、有效的磁編碼器位置解算方法與誤差處理技術(shù)。過于復(fù)雜的方法不但難以實(shí)現(xiàn),而且電路十分復(fù)雜,難以集成。因此,需要進(jìn)一步探索,在研究更加有效的位置解算方法的基礎(chǔ)上,盡可能簡化其誤差處理技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法。
本文對(duì)磁編碼器的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展進(jìn)行了深入的分析與總結(jié)。首先,對(duì)比了磁編碼器的三種位置解算方法。其中,鎖相環(huán)法解算精度高,研究與應(yīng)用最為廣泛。其次,分析了磁編碼器位置解算的誤差來源,鎖相環(huán)法與自適應(yīng)算法相結(jié)合的誤差處理方法成為主流。然后,調(diào)研了國內(nèi)外關(guān)于磁編碼器產(chǎn)品的研究并重點(diǎn)就其分辨率進(jìn)行了對(duì)比,市場傾向于體積更小的霍爾式磁編碼器。其中,中國北京金鋼科技有限公司的磁環(huán)編碼器分辨率最高,可達(dá)26位。最后,對(duì)磁編碼器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望??偟膩碚f,發(fā)展更高效的位置解算方法與誤差處理技術(shù),是實(shí)現(xiàn)磁編碼器高分辨率、高檢測精度、小型化、集成化的關(guān)鍵。本文的研究在我國磁編碼器的設(shè)計(jì)與研發(fā)、工業(yè)控制與智能制造等方面具有一定參考價(jià)值。