磁电式多圈绝对值编码器输出重复精度研究

2023-02-18何利杜卯春吕冬陈冬阳

机械工程师 2023年1期

何利，杜卯春，吕冬，陈冬阳

（湖南航天磁电有限责任公司，长沙 410221）

0 引言

随着科技的进步，控制系统对检测元件的精度要求也同步增加[1]。编码器可将机械运动中的位移、速度、加速度等物理量转变成数字电信号[2]。

编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通信、传输和存储的信号形式的设备。目前编码器按照其工作原理，可以分为增量型和绝对型两大类[3-5]。其中绝对值编码器按照信号检测原理，可以分为光电式、磁电式及光磁复合类型。光电式绝对值编码器里面会要用到菲林、玻璃或者金属码盘[6]，此种应用对环境要求高，耐油及尘、耐盐雾、耐振动、抗冲击能力差。磁电式绝对值编码器，对环境适应性强，相比光电式编码器响应速度稍差，同时成本稍高，但是可靠性能得到大大提升。国内供应商越来越青睐磁电式原理绝对值编码器。

1 磁电式编码器工作原理

磁电式编码器的输出原理如图1所示，磁石一般为钐钴或者铷铁硼材质，已经径向或者轴向进行充磁，磁石与外部轴等旋转机构连接旋转运动，霍尔芯片与磁石之间有0.5～2.5 mm间隙，此间隙依据霍尔芯片选型及磁石磁场强度来进行匹配，霍尔芯片感应磁石磁场变化输出电压或者电流信号。

图1 磁电编码器的工作原理

其中磁石有单对极[7]，即只有1对N极与S极，以及多对极充磁布置，芯片的布置位置也有轴向端面固定及径向周向感应固定。多对级磁编码器一般应用在对精度要求比较高的伺服控制系统，开发难度高。本文多圈绝对值编码器所用的磁石为单对极。

2 多磁石布置对磁场性能影响仿真分析

2.1 机械式多圈绝对值齿轮箱介绍

本文以256圈绝对值编码器为分析对象，如图2所示。编码器的1：256速比通过齿轮箱实现[8]，磁石固定在齿轮上，每一磁石上对应一霍尔感应芯片，霍尔感应芯片布置在电路板上。256圈绝对值编码器一共有3个磁石，中间一磁石，同时速比1：16以及速比1：256齿轮上分别布置磁石，3个磁石为同一牌号，同样规格。

图2 绝对值编码器的齿轮箱

2.2 磁场影响仿真分析

根据霍尔芯片感应原理，在芯片磁场强度感应范围内，磁场强度越大，芯片的响应速度更快，测量结果会更精准。为了研究3磁石布置相互间磁场强度的分布及影响,建立两种仿真模型，分别为：1）3磁石布置在同一轴向平面；2）中间磁石同1：16磁石与1：256磁石，轴向错开布置，为了同时满足编码器整体结构布置的紧凑性，轴向错开距离为考虑到双层电路板布置所需最低距离要求。

磁石材质为N45M；磁石充磁方向为径向；磁石规格为φ6 mm×2.5 mm。建立的仿真模型如图3所示，设置好各边界条件，通过ANSYS仿真其磁场变化。

图3 ANSYS仿真模型搭建

依据芯片性能参数，读取距离磁石表面轴向1.3 mm高度，磁石半径1.87 mm的圆周内的磁场强度，横向对比两种不同仿真模型，同一磁石同一位置磁场强度变化。从图4所知，磁石360°圆周范围内磁场强度按正余弦曲线变化[9]。

图4 各磁石磁场强度变化

现提取磁石圆周距离2 mm、4 mm和6 mm的测量结果来进行对比分析，数据如表1所示。

表1 不同距离下磁场强度对比

通过仿真结果可知，中心磁石轴向错开布置，对于中间磁石来说，磁场强度比同一平面布置磁场强度高出25%；1：16磁石及1：256磁石，磁场强度比同一平面布置高出12%左右。

3 测量数据对比分析

3.1 测量装置介绍

测试环境由安装工装、步进电动机、联轴器、编码器、电源、示波器、采集软件及数据分析软件等组成，通过测量不同的步进角度下，对比步进电动机绝对角度与编码器读取的角度的差值，获取不同测量步数下编码器的重复精度。测试环境如图5所示。

图5 测试环境

3.2 测量数据分析

设置步进电动机转动18°，同时读取测试编码器的输出数值，对标电动机输出角度，得到的误差值即为编码器输出角度的绝对误差，绝对误差测量结果如图6所示。

图6 步进电动机正转18°时编码器的绝对误差分析

通过图6可知，5台磁石同一平面的编码器绝对误差平均值为0.563°，5台磁石错开平面的编码器绝对值误差平均值为0.266°，绝对值误差下降了52.8%。同时错开平面各样品间的绝对误差相差比较小，其数据相关性R2约为0.912，而同一平面各样品间的绝对误差数据相关性R2为0.437，可知错开平面编码器绝对误差一致性比同一平面的编码器好。

同时让电动机旋转18°，记录此时编码器的绝对角度；然后让电动机正向旋转1圈+18°，记录此时编码器的绝对角度，两绝对角度之间的差值即为重复性误差。通过测量1#～5#样品重复性误差，对比结果如图7所示。