常用类型的编码器概述

概述

本文主要总结编码器相关的信息，概述的介绍了各类编码器的实现原理，应用领域，以及优缺点等内容。

1 认识编码器

编码器作为一种用于检测物体位置角度、电机角速度和转速等的位置传感器目前，常用的编码器分成旋转变压编码器、光电编码器和磁编码器这几类，如下图所示。

1.1 旋转变压编码器

旋转变压编码器是一种电磁式传感器，由定子和转子组成，其中定子绕组作为变压器的原边，接收励磁电压，转子绕组作为编码器的副边，原边和副边的位置变化产生变化的电压。 旋转变压器又包括线性式变压器、 比例式变压器和正余弦式变压器。旋转变压器之前一直因为其自身的抗干扰能力强、不易受环境影响等优势，而被广泛用于环境较为恶劣的工作场合中。但是，由于其复杂的转子、定子绕组设计，巨大的电路体积，易受磁耦合等干扰影响，旋转变压器逐渐不适用市场的要求，而渐渐被淘汰。

1.2 光电编码器

光电编码器是一种光电转换传感器，通过光电转换将输出的几何位移量转换为数字或者脉冲，从而来测量角度位置。

光电编码器又分为增量型光电编码器、绝对型光电编码器和混合型光电编码器。

光电编码器目前广泛用于市场，其体积较小、重量较轻、分辨率和精度高、技术成熟。

光电编码器的缺点：

光电编码器抗震性、抗环境干扰性能差， 无法在粉尘多、潮湿等条件恶劣场所工作，从而导致光电编码器的使用受环境范围限制。另外，光电编码器在大功率电机控制系统中存在严重的电磁兼容问题， 并且光电编码器结构复杂，只能以增加码盘尺寸来换取分辨率的提高，导致其难以实现高分辨率小型化发展。

1.3 磁编码器

磁编码器是一种新型的通过磁感应原理来检测的位置传感器，其通过电磁感应将角度位置、角速度和旋转速度等物理信号转变为磁场、电压等电信号，以供后续测量处理[5]。磁编码器可靠性高、精度高、抗震性能好、防止尘埃颗粒、旋转速度快、安装及调试简单、并且体积小易于实现小型化，因此逐渐发展起来并成为现在市场上的主流编码器，广泛应用于机器人轴关节等敏感位置。另外，由于磁编码器不受天气影响，耐污染、耐腐蚀，从而广泛用于环境恶劣情况下，逐渐取代旋转变压器和光电编码器的位置。

磁编码器主要分为基于电磁组效应的磁敏电阻型磁编码器和基于霍尔效应的霍尔型磁编码器。

1.3.1 磁敏电阻式编码器

该类型采用巨磁阻（Giant Magneto Resistance ，GMR）敏感元件或隧道磁电阻（Tunnel Electromagnetic Group ， TMR）敏感元件， 磁敏电阻式编码器利用电阻在不同磁场下的变化来检测磁场的位置变化。该技术较为成熟，并且功耗低、集成度高、灵敏度高，因此已经用在工程的各个领域中。但是磁敏电阻式磁编码器制造工艺相对复杂、制造成本较高，从而限制了其在工业上的大规模使用。

1.3.2 霍尔型磁编码器

霍尔型磁编码器采用霍尔敏感元件， 霍尔元件凭借着体积小、抗干扰性能高、结构简单和制造成本低等特点而满足各个领域对磁编码器的需求。

1.4 编码器性能对比

2 磁编码器概述

磁敏感元件是磁编码器核心元件，其发展状况决定着磁编码器的发展水平。常用的磁感元件一般分为磁电阻型和霍尔效应型两种。

2.1 磁电阻型传感器

对于基于磁电阻型传感器，其基本原理是磁电阻效应，即材料随着外加磁场变化而产生电阻值的变化。这种效应主要应用于对磁场的检测，其主要有两种技术类型：

1）各向异性磁阻效应(AnisotropicMagnetoresistive Sensor， AMR)

2）巨磁阻效应(Giant Magneto Resistance， GMR)。

磁敏电阻式编码器的优势：

1.磁敏电阻元件具有很好的高频特性，响应速度非常快，最高可以达到 1000KHz；

2.不同于光电编码器，磁敏电阻式编码器的环境适应度非常好，能够抵抗灰尘、油污，在温度变化范围很大的恶劣环境下仍然正常工作；

3.由于没有发光二极管等元件，工作时耗能少，使用寿命长；

4.可靠性高，结构简单，抗冲击能力强。此外，相对于光电编码器，磁敏电阻式编码器可以很容易地实现元件间的精确配合，大大降低安装难度。

2.1.1 AMR 的传感器

基于 AMR 的传感器可以提供高精度的测量，其温度稳定性保证了其在工业和汽车领域的可靠性。此外，它还可以测量磁场的绝对角度，从而使得传感器可以产生一个绝对角度信号。

然而，随着磁化方向的改变，AMR 材料的电阻变化范围仅在 2% - 5%之间，这意味着它不适合测量磁化强度变化迅速的磁场。

2.1.2 GMR 巨磁阻效应

GMR 巨磁阻效应为外磁场作用的存在对磁性材料的电阻率产生剧烈影响。GMR 材料的电阻变化很大，几乎是 AMR 材料的 10 倍。因此，与 AMR 相比，GMR 材料可以探测到更大范围的磁场。此外，它具有体积小、机械结构简单、成本低廉等优点，有助于 GMR 传感器技术的快速发展，并在位置检测应用中得到应用。对于基于霍尔效应的传感器，其中线性霍尔传感器和开关霍尔传感器可以检测外部磁场的大小，从而产生与磁场大小成正比的电压信号。

2.1.3 霍尔效应的传感器

霍尔效应的传感器，其中线性霍尔传感器和开关霍尔传感器可以检测外部磁场的大小，从而产生与磁场大小成正比的电压信号。此外，霍尔传感器件以其可靠的性能和抗干扰能力、结构简单和价格低廉逐渐被用于自动化领域。虽然其灵敏度不如光电编码器高，但是随着误差补偿算法和磁性材料的研究，霍尔元件的物理特性得到极大改善。

2.2 磁编码器的比较