【从零开始实现stm32无刷电机FOC】【硬件】磁编码器入门——工作原理、角度误差与安装方式
磁编码器的工作原理和特点
编码器基础知识
本篇是连载第五章，将继续向大家介绍我们以往总结的经验。
如果能帮助到想学习编码器、想了解其工作原理的人，将是我们的荣幸。
本章介绍磁编码器的工作原理及特点
总结
- 磁编码器通过检测磁场变化得出旋转位置信息，转换成电气信号输出。
- Shaft-End配置下的磁编码器由径向充磁磁铁和检测横向磁场强度的霍尔元件组成，对轴偏心的容忍度高。
- 磁编码器可用于要求环境耐受性强、小型轻量、可靠性高的应用中。
- 磁编码器能提升精度和分辨率，可实现离轴检测，逐渐出现在光学编码器的市场上。
5-1.磁编码器的构造
图5-1 磁编码器结构示意图磁编码器通过检测磁场变化得出旋转位置信息，并将其转换成电气信号输出。
较为简单的磁编码器是由永磁体和磁传感器构成的。永磁体安装在电机轴承等旋转体的顶端，磁传感器安装在永磁体磁场范围内的PCB板上。安装在电机轴承上的永磁体一旦开始旋转，磁传感器就能检测到磁场方向的变化，因此可以得出电机的旋转位置和旋转速度。
由霍尔元件（即磁传感器）与永磁体构成的磁编码器是如何将磁场变化量转换成角度信息的？接下来将对其工作原理进行详细说明。
霍尔元件是利用霍尔效应，输出与磁场强度等比的电压的磁传感器。
霍尔元件
磁编码器使用的霍尔元件由半导体材料制成，当前主要的半导体材料有，灵敏度高的铟锑（InSb）、温度特性稳定的镓砷（GaAs）、灵敏度和温度特性相对平衡的铟砷（InAs）等化合物半导体，以及能用在IC Die上的硅（Si）材料。
另外，霍尔元件分为检测纵向磁场强度和检测横向磁场强度的两种类型。（霍尔元件的详细说明请见《磁传感器基础知识》，如有兴趣请参考。）
永磁体
磁编码器上使用的永磁体一般是圆盘形（硬币形），在圆盘的径向或轴向方向充磁。只要满足编码器工作所需的磁感应强度，就可以自由选择磁铁的材料和尺寸。
一般情况下，根据使用目的，可以从温度特性良好的钐钴（SmCo）系、小型轻量化的钕铁硼（Ne-Fe-B）系，及价格低廉的铁氧体系磁铁中选择。
图5-2a 径向磁化磁铁
图5-2b 轴向磁化磁铁永磁体和霍尔元件的配置
磁编码器的理想状态是旋转轴、永磁体及霍尔元件的中心在同一直线上。这样的配置方式被称为Shaft-End（轴端配置）。但即使是Shaft-End配置，实际上也会存在“轴偏心”的细微安装误差。
一旦出现轴偏心，霍尔元件检测到的磁场强度就会发生变化，进而导致检测的角度精度出现误差。要全面消除轴偏心是非常困难的。在Shaft-End配置下，如果将霍尔元件安装在横向磁场均匀的区域内，那么即使存在轴偏心，输入磁场强度也不会有太大变化。
因此，与检测纵向磁场强度的霍尔元件相比，检测横向磁场强度的霍尔元件可以减小轴偏心对角度误差的影响。
图5-3a 径向磁化磁铁搭配检测横向磁场强度的霍尔元件
图5-3b 径向磁化磁铁搭配检测纵向磁场强度的霍尔元件有时会选择轴向磁化的永磁体来减弱侧面漏出的磁场，从而降低侧面漏出磁场对周围设备造成的不良影响，但是与径向磁化的磁铁相比，轴向磁化磁铁的磁场区域更小，轴偏心导致的角度误差相对更大。
图5-4a 轴向磁化磁铁搭配检测横向磁场强度的霍尔元件
图5-4b 轴向磁化磁铁搭配检测纵向磁场强度的霍尔元件如上所述，Shaft-End配置的好处是，将径向磁化磁铁和检测横向磁场强度的霍尔元件相结合，就可以很容易地实现抗轴偏心的编码器。实际上，除了Shaft-End方式，霍尔元件还有一种Off-Axis安装方式，将在后续章节详细介绍。
接下来，将对由径向磁化磁铁和检测横向磁场强度的霍尔元件组成的磁编码器的工作原理进行说明。
5-2. 磁编码器的工作原理
霍尔元件检测旋转运动中的磁场分布变化，并将其转换为电气信号
电机轴旋转时，安装在轴端的永磁体所产生的磁场也会旋转，而在旋转轴的中心区域，旋转磁场保持一定的强度不变。霍尔元件检测该磁场分布变化，将其转换成电气信号。由于霍尔元件只能检测单一方向的磁场强度，为了检测旋转位置，需要分别配置检测旋转磁场X轴方向磁场强度（Bx）和Y轴方向磁场强度（By）的霍尔元件。
图5-5a Shaft-End配置磁编码器的结构示意图
图5-5b 霍尔元件检测到的磁场强度将霍尔元件的电气信号转换成角度信息
图5-6a X轴磁场Bx和Y轴磁场By霍尔元件将X轴和Y轴的磁场信息转换为电气信号，然后由AD转换器转换成数字信号后发送到运算电路，再使用三角函数换算成角度信息。X轴和Y轴相互垂直所合成的平面图形被称为利萨如图形（或利萨如曲线），在没有轴偏心的Shaft-End配置下，磁场强度保持不变且不停旋转，可以得出很规则的正圆形利萨如图形，使用三角函数换算后的输出角度误差为零。另外，即使检测横向磁场强度的霍尔元件存在轴偏心，由于输入磁场几乎没有变化，所以输出的角度误差较小。
图5-6b 磁场强度的利萨如图形假设X轴为Bx，Y轴为By，通过arctan（By/Bx）计算能得出旋转角 θ 的绝对角度，这个角度可以用第三章介绍过的绝对值式输出。磁编码器从本质上来说是检测绝对角度的编码器。如果将绝对角度转换成A相B相Z相信息，可以作为脉冲信号通过增量式/模拟绝对值式输出。如果绝对角度信息的分辨率足够高，则可以输出360ppr、1000ppr、2500ppr、4000ppr等任意分辨率的脉冲信号。
旋转角度传感器IC
旋转角度传感器IC是内藏磁传感器、AD转换器和运算电路的电子元件，其中磁传感器是磁编码器的重要构成要素。旋转角度传感器IC和永磁体可以组装出简单的小型磁编码器，广泛应用于民用、工业、车载领域中。
5-3. 磁编码器的特点和主要应用
磁编码器的作用是检测磁场变化，在灰尘、油、水等环境中具有较强的耐受性。适用于灰尘多、油多、水多等严苛环境下的应用场景。例如，碎线头多的工业缝纫机应用、切削液及水飞溅较多的加工机械应用。
另外，前面对工作原理进行说明时提到，旋转角度传感器IC和永磁体可以组装出简单的、能输出绝对角度的编码器，适用于要求小型轻量、高可靠性的应用中。例如，使用小直径电机的加工机械、对使用寿命要求高的工厂自动化（FA）设备等。
一般来讲，要求高精度、高分辨率的应用，使用光学编码器；追求环境耐受性强、小型轻量、高可靠性的应用，使用磁编码器。新款的磁编码器提高了精度和分辨率，而且可以实现离轴检测，因此，光学编码器的市场上也逐渐出现了磁编码器的应用。
总结
- 磁编码器通过检测磁场变化得出旋转位置信息，转换成电气信号输出。
- Shaft-End配置下的磁编码器由径向充磁磁铁和检测横向磁场强度的霍尔元件组成，对轴偏心的容忍度高。
- 磁编码器可用于要求环境耐受性强、小型轻量、可靠性高的应用中。
- 磁编码器能提升精度和分辨率，可实现离轴检测，逐渐出现在光学编码器的市场上。
本章介绍了磁编码器的工作原理及特点。
您是否对其工作原理、特点及应用有了相应的了解呢？
下期将对磁编码器的角度误差进行讲解。
磁编码器的角度误差
编码器基础知识
本篇是连载第六章，将继续向大家介绍我们以往总结的经验。
如果能帮助到想学习编码器、想了解其工作原理的人，将是我们的荣幸。
本章介绍磁编码器的角度误差。
总结
- 使编码器远离产生磁场的物体（磁铁、电磁铁）及容易传导磁性的物体（导磁体）可以防止输入到霍尔元件中的磁场失真。
- 加强磁场信号，可以减小电气干扰导致的角度误差。
- 旋转角度传感器IC内置霍尔元件、AD转换器、运算电路，灵敏度及性能偏差小，能减小温度变化导致的误差，且具有防止安装偏差的自定位效果。
6-1. 磁编码器的角度误差是怎么产生的？
Shaft-End配置下，旋转轴、永磁体及霍尔元件的中心呈同一直线，理论上利萨如图形为正圆形，角度检测误差为零。但现实中，由于某些因素导致利萨如图形不呈正圆形，产生角度检测误差。这里介绍几种导致误差的代表性因素。
接下来将通过由径向磁化磁铁和检测横向磁场强度的霍尔元件构成的磁编码器，对工作原理进行说明。
干扰磁场
永磁体在受到横向干扰磁场的影响时会产生角度误差。例如，在X轴方向输入干扰磁场将导致利萨如图形的中心向X轴方向偏移。此时，旋转角度θ只有在 0°和180°时误差为零，除此之外都会产生角度误差。
图6-1a 从永磁铁横向输入干扰磁场
图6-1b X轴方向输入干扰磁场后的角度误差图6-1c显示在X轴方向（α = 0°）输入干扰磁场时的利萨如图形和角度误差。旋转角度θ为0°、180°时，角度误差为零，0~180°之间相位滞后，180°~360°之间相位超前。
图6-1c 0°方向输入干扰磁场时的利萨如图形和角度误差图6-1d显示在α = 45°方向输入干扰磁场时的利萨如图形和角度误差。旋转角度θ为 45°、225°时角度误差为零，45~225°之间相位滞后，225°~45°之间相位超前。
图6-1d 45°方向输入干扰磁场时的利萨如图形和角度误差霍尔元件的安装偏差（轴偏心）
霍尔元件的安装偏差（轴偏心）会导致角度误差。霍尔元件和永磁体的中心错位，导致输入到霍尔元件中的磁场失真。
图6-2a 霍尔元件的轴偏心例如，当霍尔元件沿X轴方向偏移时，旋转角度θ为 0°、90°、180°、270°时，角度误差为零，在0～90°和180~270°之间相位超前，在90~180°和270~0°之间相位滞后。
图6-2b X轴方向上轴偏心时的角度误差
θ = 0°
θ = 45°
θ = 90°
θ = 135°图6-2c X轴方向上轴偏心时向霍尔元件中输入的磁场
（θ = 0°、45°、90°、135°)
霍尔元件的安装倾斜
霍尔元件的安装倾斜会导致角度误差。即使霍尔元件和永磁体的中心没有偏移，但是安装倾斜会导致在倾斜方向输入的磁场变弱，利萨如图形变为椭圆形。
例如，当霍尔元件相对X轴方向倾斜时，旋转角度θ为0°和180°时，输入到霍尔元件中的磁场变弱，角度为90°和270°时，磁场强度不受倾斜影响，利萨如图形呈X方向半径偏小的椭圆形。旋转角度θ为 0°、90°、180°、270°时，角度误差为零，在0～90°和180~270°之间相位超前，在90~180°和270~0°之间相位滞后。
图6-3a 霍尔元件的安装倾斜
图6-3b 向X轴方向倾斜时的角度误差
图6-3c 向X轴方向倾斜时的利萨如图形此外，永磁体的轴偏心、永磁体的倾斜常被误认为是角度误差的重要原因，但实际上永磁体存在轴偏心或倾斜并不会发生角度检测误差。
这是因为，即使磁铁在轴偏心的状态下旋转，输入到IC中的磁场强度不会因为角度变化而变化，利萨如图形还是呈正圆形。但是，由于磁传感器检测到的横向磁场强度本身变小，检测角度中包含的干扰误差影响相对变大。
图6-4a 永磁体的轴偏心
图6-4b 永磁体向X轴方向偏心时的利萨如图形磁传感器和电子元件的特性差异
构成磁编码器的霍尔元件和AD转换器属于电子元件。大批量生产的电子元件，由于制造差异，会在电气特性上产生个体差异。例如，霍尔元件性能不均匀，会像受到干扰磁场影响一样，产生角度误差。假设，检测X轴磁场的霍尔元件与检测Y轴磁场的霍尔元件的灵敏度不同，利萨如图形就会像霍尔元件安装切斜时一样，呈椭圆形。同样，AD转换器的性能不均匀及灵敏度个体差异也是导致角度误差的主要因素。
6-2. 如何减小磁编码器的角度误差？
Shaft-End配置下利萨如曲线呈正圆形，则角度误差为零。但是这只是理想状态，没有干扰磁场、霍尔元件安装无轴偏心无倾斜、电子元件特性均匀且无灵敏度差异的批量生产条件是不存在的。
阻止系统在外力和环境干扰的影响下产生变化的内部体系或特性被称为鲁棒性。
为了减小批量生产的编码器的误差，需要在设计上增强鲁棒性。也就是说，要在考虑到干扰磁场、安装误差、安装倾斜、电子元件特性不均匀等因素的基础上，设计出不容易产生角度误差的编码器。
屏蔽干扰磁场
使编码器远离产生磁场的物体（磁铁、电磁铁）及容易传导磁性的物体（导磁体）可以防止输入到霍尔元件中的磁场失真。例如，使用非磁性材料制作电机旋转轴上固定磁铁用的治具，是非常有效的方法。另外，密封编码器周围的导磁体，也可以防止磁场干扰。再如，对于检测横向磁场的霍尔元件，采用横向密封也非常有效。将霍尔元件安装在环形磁铁的中心，环形磁铁本身同样能发挥密封效果。
图6-5a 电机旋转轴和磁铁的示意图
图6-5b 霍尔元件安装在环形磁铁的中心
图6-5c 霍尔元件在环形磁铁中心时的磁场分布减少安装误差的影响
图6-6a 径向磁化磁体搭配检测横向磁场强度的霍尔元件
图6-6b 径向磁化磁体搭配检测横向磁场强度的霍尔元件在第五章介绍了磁编码器的工作原理和特点，检测横向磁场的霍尔元件搭配横向磁场均匀分布的磁铁，可以减小轴偏心导致的角度误差。
加强霍尔元件的输入磁场
霍尔元件的信号输出与输入磁场强度成正比。霍尔元件属于电阻器类器件，无论磁场强度如何，都会自带一定程度的干扰。因此，通过提高霍尔元件的输入磁场强度，信号输出成分/干扰成分的比率会增大，可以减小干扰导致的角度误差。
使用内部集成所有电子元件的旋转角度传感器
X轴用、Y轴用的霍尔元件和AD转换器是搭载在同一硅（Si）芯片上的，因此，与元件单独组装相比，灵敏度差异小，温度特性也一致。因此，可降低arctan（By/Bx）计算所得出的旋转角度θ（参照第五章）的误差。
另外，温度变化会影响霍尔元件环氧树脂的封装应力，封装应力会导致霍尔元件性能差异。将霍尔元件安装到方形封装的正中央，可以减轻温度变化导致的性能差异。并且，在封装的四边配置端子，能够防止与基板的安装偏差，具有自定位效果。
总结
- 使编码器远离产生磁场的物体（磁铁、电磁铁）及容易传导磁性的物体（导磁体）可以防止输入到霍尔元件中的磁场失真。
- 加强磁场信号，可以减小电气干扰导致的角度误差。
- 旋转角度传感器IC内置霍尔元件、AD转换器、运算电路，灵敏度及性能偏差小，能减小温度变化导致的误差，且具有防止安装偏差的自定位效果。
本章介绍了磁编码器的角度误差。
您是否对角度误差的产生原因和解决方案有了相应的了解呢？
下期将对Off-Axis配置的磁编码器进行讲解。
Off-Axis配置磁编码器
编码器基础知识
本篇是连载第七章，将继续向大家介绍我们以往总结的经验。
如果能帮助到想学习编码器、想了解其工作原理的人，将是我们的荣幸。
本章介绍Off-Axis配置磁编码器。
总结
- Off-Axis配置磁编码器可以解放旋转轴的轴端，编码器整体可以更薄，可实现轴贯通。
- 在Off-Axis配置下，利萨如曲线呈非常扭曲的椭圆，必须进行校正。
- 计算补偿前先进行校准，要知道旋转角度θ 的误差是多少，需要掌握真实的角度信息（=参考值）。
图7-1 Off-Axis配置磁编码器的结构示意图在第五章磁编码器的工作原理和特点中提到，旋转轴、永磁体及霍尔元件的中心呈同一直线的Shaft-End配置（轴端配置）是磁编码器的理想安装状态。理论上，利萨如图形呈正圆形，角度检测误差为零。
但Shaft-End配置下，编码器要安装在旋转轴的中心位置，旋转轴轴端不能做其他用途。为了避免这个问题，将编码器安装在偏离中心的位置，解放旋转轴轴端，这种安装方式叫做Off-Axis配置。
7-1. Off-Axis配置磁编码器的构造
使用由磁传感器（即霍尔元件）和永磁体构成的磁编码器，在Off-Axis配置下，如何将磁场分布变化转换成角度信息呢？接下来对其工作原理进行详细说明。霍尔元件是利用霍尔效应，输出与磁场强度等比的电压的磁传感器（霍尔元件的详细说明请见《磁传感器基础知识》，如有兴趣请参考）。
霍尔元件
磁编码器所使用的霍尔元件在第五章介绍过，主要是由铟锑（InSb）、镓砷（GaAs）、铟砷（InAs）、硅（Si）等半导体材料制成。另外，霍尔元件有能够检测纵向磁场强度和横向磁场强度这两种类型，Off-Axis配置下使用的是检测横向磁场的霍尔元件。
永磁体
图7-2 环形（圆环型）径向磁化的永磁体磁编码器上使用的永磁体一般是圆盘形（硬币形），在圆盘的径向或轴向方向充磁。只要满足编码器工作所需的磁感应强度，就可以自由选择磁铁的材料和尺寸。
一般情况下，根据使用目的，可以从温度特性良好的钐钴（SmCo）系、小型轻量化的钕铁硼（Ne-Fe-B）系，及价格低廉的铁氧体系磁铁中选择。
永磁体和霍尔元件的配置
将环形永磁体安装在旋转轴上，而霍尔元件可随意安装在旋转轴外围的任意位置，这就是Off-Axis配置。这里列举的是将检测横向磁场强度的霍尔元件安装在环形磁铁侧面的例子。Off-Axis配置的优点是可以解放旋转轴轴端，可实现编码器整体的轻薄化，另外，如果将旋转轴做成空心轴，可以从内部走切屑液或电缆等，能节省空间。
图7-3 Off-Axis配置磁编码器7-2. Off-Axis配置磁编码器的工作原理
旋转运动产生的磁场分布变化
电机轴旋转时，安装在轴端的永磁体所产生的磁场也会旋转，而在旋转轴的中心区域，旋转磁场保持一定的强度不变。霍尔元件检测该磁场分布变化，将其转换成电气信号。由于霍尔元件只能检测单一方向的磁场强度，为了检测旋转位置，需要分别配置检测旋转磁场X轴方向磁场强度（Bx）和Y轴方向磁场强度（By）的霍尔元件。
θ = 0°
θ = 45°
θ = 90°
θ = 135°
θ = 180°图7-4 Off-Axis配置下霍尔元件的输入磁场
将霍尔元件的电气信号转换成角度信息
霍尔元件将X轴和Y轴的磁场信息转换为电气信号，然后由AD转换器转换成数字信号后发送到运算电路，再使用三角函数换算成角度信息。X轴和Y轴相互垂直所合成的平面图形被称为利萨如图形（或利萨如曲线），Off-Axis配置下的利萨如图形呈非常扭曲的椭圆形。
这是因为，环形磁铁侧面的磁场强度和方向在不停变化的同时旋转，环形磁铁的旋转角度与霍尔元件的输入磁场方向不一致。假设X轴数值为Bx，Y轴数值为By，通过arctan（By/Bx）计算能得出旋转角 θ 的绝对角度，利萨如图形非常扭曲，说明旋转角度θ存在很大的误差。
图7-5a Off-Axis配置下X轴方向磁场Bx、Y轴方向磁场By
图7-5b Off-Axis配置下的利萨如图形校正霍尔元件的角度信息
Off-Axis配置下，旋转角度θ存在很大的角度误差，必须进行校正。校正方法大致分两种。一种是事先设定好旋转角度θ 与真实角度的对照表，参照表格信息校正曲线。
另一种方法是，根据旋转角度θ的误差信息，计算出补偿参数，通过将利萨如图形修正成正圆形的方式来消除角度误差。
无论是哪种方法，在计算补偿前都要先进行校准，要知道旋转角度θ 的误差究竟是多少，需要掌握真实的角度信息（=上帝视角、参考值）。一般情况下，可使用其他编码器或步进马达的角度指令信息作为参考值。
图7-6 校正成正圆形的利萨如图形7-3. Off-Axis配置磁编码器的特点和主要应用
磁编码器用于检测磁场变化，在灰尘、油、水等环境下具有较强的耐受性。因此，适用于灰尘多的应用场景。Off-Axis配置编码器具有解放旋转轴轴端的优点，可以用在工业缝纫机的主马达上，或带电磁制动的马达上。另外，如果将旋转轴做成空心轴，可以从轴内部走切屑液或电缆，可使用在加工机械的马达主轴及机械臂上。
总结
- Off-Axis配置磁编码器可以解放旋转轴的轴端，编码器整体可以更薄，可实现轴贯通。
- 在Off-Axis配置下，利萨如曲线呈非常扭曲的椭圆，必须进行校正。
- 计算补偿前先进行校准，要知道旋转角度θ 的误差是多少，需要掌握真实的角度信息（=上帝视角、参考值）。
本章介绍了Off-Axis配置磁编码器的工作原理和特点。
您是否对其工作原理、特点及应用有了相应的了解呢？
专栏2。干扰磁场的可视化
Shaft-End配置磁编码器，利萨如图形呈正圆形，角度误差为零。Off-Axis配置磁编码器，通过将利萨如图形校正为正圆形，来提高角度精度。另外，在第六章提到过，受干扰磁场影响，利萨如图形不呈正圆形，会产生角度误差。利用磁编码器的这个特性，通过监控利萨如图形的圆度变化，可以判断编码器的输入磁场是否正常，即可实现干扰磁场的可视化。例如，在程序中设定利萨如图形的变量报警阀值，可以提前对系统进行维护。
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