周鳳坤+++張大龍

摘 要：文章主要介紹了磁編碼器的工作原理及一臺(tái)使用德國(guó)Lenord+Bauer公司生產(chǎn)的MiniCode GEL2443系列的小型磁編碼器的電主軸編碼器調(diào)式技術(shù)規(guī)范的探索，經(jīng)過研究總結(jié)了一套適合此系列的磁編碼器的安裝調(diào)試方法，通過編碼器的相關(guān)信號(hào)對(duì)編碼器和齒輪盤的相對(duì)位置進(jìn)行了調(diào)整，提高了磁編碼器的輸出信號(hào)強(qiáng)度及檢測(cè)精度。

關(guān)鍵詞：磁編碼器；信號(hào)強(qiáng)度；MiniCode GEL2443；安裝調(diào)試

1 概述

在現(xiàn)代化自動(dòng)控制領(lǐng)域中，編碼器廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)部件上，用于精確獲得旋轉(zhuǎn)部件的精確位置信息。通常情況下為獲取旋轉(zhuǎn)部件的位置及速度信息，一般使用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等類型的角度傳感器。然而旋轉(zhuǎn)變壓器體積較大、精度不高，光電編碼器不能耐受較大強(qiáng)度振動(dòng)，工作環(huán)境受到一定限制[1]。磁編碼器是一種新型磁敏感元件為基礎(chǔ)的檢測(cè)裝置[2]，相對(duì)于光電編碼器，磁旋轉(zhuǎn)編碼器具有體積小、轉(zhuǎn)速高、成本低，而且不易受油污、水汽等外界污染的影響、抗干擾能力強(qiáng)、具備優(yōu)異的抗沖擊振動(dòng)的特點(diǎn)，因此近年來在工業(yè)生產(chǎn)尤其是在自動(dòng)化控制方面的應(yīng)用不斷增加[3]。

2 磁編碼器的原理

磁編碼器是一類新型的角度或位移檢測(cè)傳感器，其工作原理是采用磁阻或霍爾元件，對(duì)角度或者位移變化的磁性實(shí)體進(jìn)行測(cè)量[4]。磁編碼器中導(dǎo)磁器件代替了傳統(tǒng)的碼盤，編碼器上的永磁體會(huì)將旋轉(zhuǎn)的齒輪盤的磁化，當(dāng)磁化的齒輪盤隨著旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪盤會(huì)產(chǎn)生周期性變化的空間漏磁，漏磁直接作用于磁電阻之上，使其內(nèi)部的載流子因受到洛侖茲力的作用后運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致磁感應(yīng)元件內(nèi)部的電位差發(fā)生變化。宏觀的表現(xiàn)為編碼器感應(yīng)元件的磁阻的阻值隨著外磁場(chǎng)的變化而變化。磁電阻效應(yīng)是磁旋轉(zhuǎn)編碼器工作的基本物理原理，充磁磁極的個(gè)數(shù)即齒輪盤的齒數(shù)決定了編碼器的分辨率，充磁磁極的均勻性和剩磁強(qiáng)弱決定了編碼器結(jié)構(gòu)和輸出信號(hào)質(zhì)量[5]。

3 編碼器的安裝與調(diào)整

MiniCode對(duì)于實(shí)現(xiàn)狹小空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齒輪、電機(jī)、高速電主軸的非接觸式測(cè)量提供了技術(shù)解決方案，與其配合使用的是一個(gè)高精度的齒輪盤，齒的模數(shù)為0.3mm或0.5mm，磁編碼器輸出信號(hào)為兩路正弦信號(hào)，相位相差90度，頻率范圍為0～200kHz，編碼器線纜最大長(zhǎng)度為100m，工作電壓為5V，原點(diǎn)的檢測(cè)形式為凹槽，為了齒輪盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)有良好的動(dòng)平衡，減小離心力造成的偏擺，應(yīng)該在齒輪盤對(duì)稱的位置打孔。

編碼器共有6路信號(hào)輸出，其中可以分為3對(duì)，分別為U1、U2和UN，在進(jìn)行轉(zhuǎn)速或位置測(cè)量時(shí)，為增強(qiáng)號(hào)強(qiáng)度，提高抗干擾能力，將腳標(biāo)為正的信號(hào)與腳標(biāo)為負(fù)的信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算。當(dāng)齒輪盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，U1的相位超前于U290度，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，U2的相位超前于U190度，編碼器每轉(zhuǎn)一圈有一個(gè)UN脈沖輸出。

編碼器信號(hào)輸出插頭為標(biāo)準(zhǔn)插頭，通過轉(zhuǎn)接可以與常用的主軸驅(qū)動(dòng)相連，兼容性很好，插頭接線方式如圖1所示，圖中插頭的引腳序號(hào)與表1中的引腳序號(hào)相對(duì)應(yīng)，8、9引腳為溫度傳感器的接線引腳，即溫度傳感器的信號(hào)通過8、9引腳輸入到伺服模塊中。

在表2所列尺寸中，d為最重要的尺寸，此參數(shù)若偏大，輸出信號(hào)幅值降低，影響速度及位置檢測(cè)精度，若d偏小，由于齒輪盤制造精度的限制，在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，很容易在離心力的作用下發(fā)生偏擺，出現(xiàn)齒輪盤將編碼器表面刮傷的情況，造成編碼器不可修復(fù)的損壞，表中給出的推薦值可以使兩方面的影響得到均衡，使編碼器穩(wěn)定、無故障地工作更長(zhǎng)時(shí)間。

編碼器調(diào)整時(shí)應(yīng)先需根據(jù)齒輪盤齒的模數(shù)選擇塞尺，若模數(shù)為0.3mm應(yīng)使用0.15mm的塞尺，模數(shù)為0.5mm應(yīng)使用0.20mm的塞尺。首先將編碼器固定到安裝位置，不帶緊螺釘，然后將相應(yīng)的塞尺放到齒輪盤的齒頂與編碼器的中間，使三者貼緊并盡量保證編碼器的對(duì)稱線經(jīng)過齒輪盤的圓心，即編碼器對(duì)稱線與齒輪盤的對(duì)稱線重合，然后用扭矩扳手帶緊螺釘，最大扭矩為60Ncm，螺釘擰緊后將塞尺抽出，再使用專用的電子設(shè)備對(duì)編碼器的位置進(jìn)行精調(diào)。

編碼器的檢測(cè)設(shè)備為L(zhǎng)enord+Bauer公司生產(chǎn)的便攜式手持檢測(cè)儀器，型號(hào)為GEL 210Y005，通過對(duì)U1、U2和UN相關(guān)信號(hào)的檢測(cè)，可以精確調(diào)整磁編碼器相對(duì)于齒輪盤的幾何安裝位置。首先制作編碼器的轉(zhuǎn)接頭，導(dǎo)線的連接方式如表1所示，轉(zhuǎn)接頭制作完成后，將磁編碼器與檢測(cè)儀器連接，通過檢測(cè)儀器左側(cè)的開關(guān)切換檢測(cè)項(xiàng)目，然后手動(dòng)盤主軸，檢測(cè)儀器上會(huì)顯示相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目的數(shù)值，根據(jù)數(shù)值的大小可以判斷出幾何位置偏差，然后手動(dòng)向偏差減小的方向微調(diào)，再次進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整后使測(cè)量數(shù)值在允許的范圍內(nèi)。

氣隙是磁編碼器調(diào)整的一個(gè)重要參數(shù)，其直接影響信號(hào)幅值的大小，信號(hào)幅值與磁編碼器檢測(cè)表面區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，而磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁編碼器距齒輪盤的距離成反比。Amplitude Spur A/B、Peak Refernezspur 分別表示信號(hào)U1/U2、參考點(diǎn)信號(hào)的幅值，通常檢測(cè)數(shù)值在AC 290～400mV范圍內(nèi)，表示氣隙范圍滿足要求，如圖3所示。

信號(hào)基準(zhǔn)偏移調(diào)整應(yīng)在氣隙調(diào)整完成之后進(jìn)行，Offset Spur A、Offset Spur B和Offset Referenzspur分別代表U1、U2和UN的信號(hào)基準(zhǔn)偏移。從圖4中可以看出磁編碼器安裝時(shí)出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)，這種位置安裝誤差主要影響正負(fù)信號(hào)合成后信號(hào)波形整體沿縱向移動(dòng)的距離，合成信號(hào)可以用公式y(tǒng)=Asinx+c表示，其中c值大小代表信號(hào)偏移的距離，通常c在DC±20mV范圍內(nèi)滿足安裝要求，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是編碼器位置偏轉(zhuǎn)后靠近齒形盤的一端信號(hào)幅值偏大，導(dǎo)致合成的信號(hào)基準(zhǔn)出現(xiàn)偏移，基準(zhǔn)偏移后U1、U2的最大值也發(fā)生了變化，要U1與U2的比值在0.9至1.1之間編碼器才能正常工作。

4 結(jié)束語

本文主要對(duì)磁編碼器的安裝調(diào)試技術(shù)進(jìn)行了研究，從磁編碼器的工作原理入手，分析了幾何位置誤差對(duì)磁編碼器檢測(cè)信號(hào)的影響，詳細(xì)地介紹了一種磁編碼器安裝調(diào)整的方法，經(jīng)實(shí)踐此種方法實(shí)際可行，達(dá)到了預(yù)期的調(diào)整效果，對(duì)于此類磁編碼器的更換、調(diào)整具有重要的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Sawada R，TanakaH，OhguchO，etal. Fabrication of active integrated optical micro-encoder[C].Proceedings of IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems.Japan：IEEE，1991：233-238.

[2]吳昊.基于巨磁效應(yīng)的磁編碼器研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[3]吳紅梅，蔣水秀.基于AS5045的磁旋轉(zhuǎn)編碼器的研究和應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012（7）：57-58.

[4]曲家騏， 王季秩.伺服系統(tǒng)中的編碼器[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[5]周超.磁編碼器與檢測(cè)儀的原理和應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2013（2）：124-125.