周凤坤+++张大龙

摘 要：文章主要介绍了磁编码器的工作原理及一台使用德国Lenord+Bauer公司生产的MiniCode GEL2443系列的小型磁编码器的电主轴编码器调式技术规范的探索，经过研究总结了一套适合此系列的磁编码器的安装调试方法，通过编码器的相关信号对编码器和齿轮盘的相对位置进行了调整，提高了磁编码器的输出信号强度及检测精度。

关键词：磁编码器；信号强度；MiniCode GEL2443；安装调试

1 概述

在现代化自动控制领域中，编码器广泛应用于旋转部件上，用于精确获得旋转部件的精确位置信息。通常情况下为获取旋转部件的位置及速度信息，一般使用光电编码器、旋转变压器等类型的角度传感器。然而旋转变压器体积较大、精度不高，光电编码器不能耐受较大强度振动，工作环境受到一定限制[1]。磁编码器是一种新型磁敏感元件为基础的检测装置[2]，相对于光电编码器，磁旋转编码器具有体积小、转速高、成本低，而且不易受油污、水汽等外界污染的影响、抗干扰能力强、具备优异的抗冲击振动的特点，因此近年来在工业生产尤其是在自动化控制方面的应用不断增加[3]。

2 磁编码器的原理

磁编码器是一类新型的角度或位移检测传感器，其工作原理是采用磁阻或霍尔元件，对角度或者位移变化的磁性实体进行测量[4]。磁编码器中导磁器件代替了传统的码盘，编码器上的永磁体会将旋转的齿轮盘的磁化，当磁化的齿轮盘随着旋转部件旋转时，齿轮盘会产生周期性变化的空间漏磁，漏磁直接作用于磁电阻之上，使其内部的载流子因受到洛仑兹力的作用后运动轨迹发生偏转或产生螺旋运动，从而导致磁感应元件内部的电位差发生变化。宏观的表现为编码器感应元件的磁阻的阻值随着外磁场的变化而变化。磁电阻效应是磁旋转编码器工作的基本物理原理，充磁磁极的个数即齿轮盘的齿数决定了编码器的分辨率，充磁磁极的均匀性和剩磁强弱决定了编码器结构和输出信号质量[5]。

3 编码器的安装与调整

MiniCode对于实现狭小空间旋转运动的齿轮、电机、高速电主轴的非接触式测量提供了技术解决方案，与其配合使用的是一个高精度的齿轮盘，齿的模数为0.3mm或0.5mm，磁编码器输出信号为两路正弦信号，相位相差90度，频率范围为0～200kHz，编码器线缆最大长度为100m，工作电压为5V，原点的检测形式为凹槽，为了齿轮盘高速旋转时有良好的动平衡，减小离心力造成的偏摆，应该在齿轮盘对称的位置打孔。

编码器共有6路信号输出，其中可以分为3对，分别为U1、U2和UN，在进行转速或位置测量时，为增强号强度，提高抗干扰能力，将脚标为正的信号与脚标为负的信号进行减法运算。当齿轮盘顺时针旋转时，U1的相位超前于U290度，逆时针旋转时，U2的相位超前于U190度，编码器每转一圈有一个UN脉冲输出。

编码器信号输出插头为标准插头，通过转接可以与常用的主轴驱动相连，兼容性很好，插头接线方式如图1所示，图中插头的引脚序号与表1中的引脚序号相对应，8、9引脚为温度传感器的接线引脚，即温度传感器的信号通过8、9引脚输入到伺服模块中。

在表2所列尺寸中，d为最重要的尺寸，此参数若偏大，输出信号幅值降低，影响速度及位置检测精度，若d偏小，由于齿轮盘制造精度的限制，在高速旋转的情况下，很容易在离心力的作用下发生偏摆，出现齿轮盘将编码器表面刮伤的情况，造成编码器不可修复的损坏，表中给出的推荐值可以使两方面的影响得到均衡，使编码器稳定、无故障地工作更长时间。

编码器调整时应先需根据齿轮盘齿的模数选择塞尺，若模数为0.3mm应使用0.15mm的塞尺，模数为0.5mm应使用0.20mm的塞尺。首先将编码器固定到安装位置，不带紧螺钉，然后将相应的塞尺放到齿轮盘的齿顶与编码器的中间，使三者贴紧并尽量保证编码器的对称线经过齿轮盘的圆心，即编码器对称线与齿轮盘的对称线重合，然后用扭矩扳手带紧螺钉，最大扭矩为60Ncm，螺钉拧紧后将塞尺抽出，再使用专用的电子设备对编码器的位置进行精调。

编码器的检测设备为Lenord+Bauer公司生产的便携式手持检测仪器，型号为GEL 210Y005，通过对U1、U2和UN相关信号的检测，可以精确调整磁编码器相对于齿轮盘的几何安装位置。首先制作编码器的转接头，导线的连接方式如表1所示，转接头制作完成后，将磁编码器与检测仪器连接，通过检测仪器左侧的开关切换检测项目，然后手动盘主轴，检测仪器上会显示相关检测项目的数值，根据数值的大小可以判断出几何位置偏差，然后手动向偏差减小的方向微调，再次进行测量，经过反复调整后使测量数值在允许的范围内。

氣隙是磁编码器调整的一个重要参数，其直接影响信号幅值的大小，信号幅值与磁编码器检测表面区域的磁场强度成正比，而磁场强度与磁编码器距齿轮盘的距离成反比。Amplitude Spur A/B、Peak Refernezspur 分别表示信号U1/U2、参考点信号的幅值，通常检测数值在AC 290～400mV范围内，表示气隙范围满足要求，如图3所示。

信号基准偏移调整应在气隙调整完成之后进行，Offset Spur A、Offset Spur B和Offset Referenzspur分别代表U1、U2和UN的信号基准偏移。从图4中可以看出磁编码器安装时出现了偏转，这种位置安装误差主要影响正负信号合成后信号波形整体沿纵向移动的距离，合成信号可以用公式y=Asinx+c表示，其中c值大小代表信号偏移的距离，通常c在DC±20mV范围内满足安装要求，出现这种现象的主要原因是编码器位置偏转后靠近齿形盘的一端信号幅值偏大，导致合成的信号基准出现偏移，基准偏移后U1、U2的最大值也发生了变化，要U1与U2的比值在0.9至1.1之间编码器才能正常工作。

4 结束语

本文主要对磁编码器的安装调试技术进行了研究，从磁编码器的工作原理入手，分析了几何位置误差对磁编码器检测信号的影响，详细地介绍了一种磁编码器安装调整的方法，经实践此种方法实际可行，达到了预期的调整效果，对于此类磁编码器的更换、调整具有重要的借鉴意义。

参考文献

[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]吴昊.基于巨磁效应的磁编码器研究[D].哈尔滨工业大学，2010.

[3]吴红梅，蒋水秀.基于AS5045的磁旋转编码器的研究和应用[J].计算机光盘软件与应用，2012（7）：57-58.

[4]曲家骐， 王季秩.伺服系统中的编码器[M].机械工业出版社，1998.

[5]周超.磁编码器与检测仪的原理和应用[J].自动化与仪器仪表，2013（2）：124-125.