原创 绝对值编码器设计，磁编码器还是光学编码器（二）

                   绝对值编码器设计，磁编码器还是光学编码器(二)         

                     马超群(Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)

4）比较两种旋转编码器应用系统

两种编码器的传感器结构已经确定，支持小尺寸和成本敏感的产品而没有牺牲任何测量精度（图4）。尽管这两种器件采用不同的电路设计方法，它们同享类似的性能特性（表1）；支持任意可编程脉冲数的实时高绝对值和增量信号分辨率。

         磁码盘和单芯片编码器iC-MU          光学码盘和单芯片编码器iC-LNB

图4：装配原理和尺寸比较

当选择基本的系统布局时其他决定因素也必须考虑进去，例如应用领域和测量精度要求。表2比较了主要的传感器规格参数。

表2：光和磁传感器的特征比较

随着完美的电子处理测量系统，磁码盘的磁极间距误差是绝对测量误差的显现来源。例如，一个典型的磁精度是15um，而光学码盘的线精度是300nm，差别是显而易见的。借助于扫描半径（表3），这个值可以被转换成角度误差；在理论上，磁编码器系统大约为0.07°（252弧度秒）以及光编码器系统大约为0.0018°（6.4弧度秒）。光学系统其它的主要误差来源总计为0.011°（40弧度秒）。

用户选择一个特定的系统主要依据这个系统的优点和缺点。例如，磁编码器系统具有多种优势的环境免疫力，诸如，灰尘、油污以及水汽。它也允许一个宽的工作距离，允许轴向间隙和安装公差较大而容易装配。由于磁编码器系统无需LED和光学器件，一个扁平的编码器设计成为可能，

对于芯片设计者，当开发电路时传感器的信号扮演着一个主要的角色。光学传感器读取轴角由光学码盘产生的光分布和强度决定。好的信号对比度必须避免成像错误。为了战胜这个，特殊的编码器LED提供均匀性的平行光，iC-SN85是一个合适的LED。它支持大约200nA的光电流产生，在传输阻抗为1MΩ时产生的信号电压为200mV。

对于磁传感器，磁场分量垂直于芯片是有益的。霍尔效应直接提供一个典型的mV级电压，依赖于磁场强度分量Z。由于单个霍尔元件仅能感知到磁铁的距离，而采用多个霍尔元件在不同位置记录磁场的Z分量以便角度信息可由各个局部的磁场渐变得出评估。霍尔元件必须真实地“感知”这个弯曲的近场磁力线。由于霍尔电压的极性跟随磁场的方向，磁铁的北极可区别于南极，使得使用一个极对来确定绝对角度成为可能。

霍尔元件最多仅能从磁码盘的磁场产生10mV的电压。为了达到光学编码器系统的分辨率，信号的带宽必须被限制。为了达到信号调理的目的，霍尔元件使用一个固定的扫描频率和滤波来评估。这个霍尔传感器扮演了一个模拟低通角色，截止频率大约20kHz。然而，实际上，较长的信号传输延时是不相关的。

4.1）装配公差和补偿特性

两个系统都使用快速实时插补细分电路由向量追踪转换器使用arc tangent进行转换。关于偏置、幅度匹配、相位精度和谐波，此转换器依赖于模拟的正弦/余弦传感器信号。然而，与理想的装配位置的偏差引起的信号误差会减小插补细分的精度。为了确保测量精度，两个系统都允许静态校准由装配引起的信号误差和通过集成的D/A转换器校正调节几个模拟信号路径。

电子信号校准会增大机械活动限制度（表3）。iC-MU也允许正弦/余弦相移校准，这也能补偿径向对准误差。一旦设置和校准，所选择的工作点由自动功能来维持。对于光学编码器，集成的LED功率控制补偿由温度上升引起的LED效率损失。霍尔编码器有一个增益控制用来补偿当磁码盘与芯片距离的变化时引起的场强改变。

表3：机械数据和装配公差

4.2）可能的误差来源

原则上，误差应该被通盘考虑进去。在这里，已对基本情况进行了考察，拿霍尔编码器作为一个例子。如果测量用磁铁的相关几何尺寸已被考虑进去，这些考察结果也同样适用于光学编码器系统。

如果霍尔编码器在扫描半径对齐不理想，将会引起正弦信号失真。如果有一个半径位移（ΔR），霍尔元件不能探测到磁体或者探测到分段的磁极不在正确的位置（图5B）。正弦和余弦信号就会有一个固定的位移误差在随后的扫描中出现。然而，这也可能通过使用集成的信号校正电路得到补偿。

图5：典型的对准误差

表达式1：由于径向对准引起的测量误差

表达式1给出了传感器信号电子相位误差，D为扫描直径，ΔR为扫描位移。例如，参考电子正弦周期信号，一个霍尔编码器径向0.1mm位移会产生0.35°的相移在扫描直径为26mmm时。如果计算每旋转的机械角度误差，结果必须除以极对数。一个标准磁码盘有32个极对，相当于机械角度误差为0.01°。

另一方面，器件在切线方向的位移（ΔX）对两个轨道信号电子角度相移的影响或大或小是相同的（图5A）。这个间距改变和相位差异仅轻微地影响计算绝对位置值，实际上几乎不会改变。

然而，偏心装配误差（ΔE）会引起设备抖动（图5C）。直径越小，测量目标的改变越大。一个长波误差出现会减小绝对测量精度。

表达式2：由偏心率引起的测量误差

偏心率误差来自于测量器件的位移ΔE，这个误差来自于旋转轴和测量磁铁的极宽p。因此，一个偏心率10um的误差导致相位误差为1.4°（参考正弦周期），或者角度误差0.05°（参考机械旋转），有关尺寸大小，见表3，扫描直径26mm，极宽1.28mm，32极对。对于起决定性作用的相位差游标计算，偏心率误差扮演着一个较小的影响，由于两个信号轨道的偏心率是相同的。

在一个完整的机械旋转360°，角度精确度优于+/-0.1°。这个精度受磁化系统的限制。如果个别的磁极变化，轻微的位移影响在大约45°和90°，如图6所示。连接参考编码器的机械轴也产生一个轴心误差，它可以通过在同一个方向旋转的一个长波偏离观察到。

图6：iC-MU磁系统角度精度

图6展示了iC-MU磁系统的角度测量精度，使用磁码盘 MU2S 30-32，周期角度为11.25°。

在这里，数学和图形功能在BiSS读出软件里能容易的比较测量数据。

5）结论：哪个更好？

磁传感器技术有很多优点可说：优秀的可靠性、对冲击和振动的高抵抗性、不易碎、对灰尘和水蒸气不敏感。单芯片霍尔编码器iC-MU允许使用空心轴以及可实现仅有光编码器才能做到的位置分辨率。然而，对于高测量精度的应用，光学传感器，诸如iC-LNB等有优势，但是需要更昂贵的装配成本。但是，考虑到它们具有小的optoQFN和optoBGA封装，单芯片编码器是一个可行的选择。基于这些关键点，决定选择哪一个方案应该由应用本身的需求来决定。