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概述
本文主要介绍磁环编码器的相关知识，包括实现原理、编码器精度、角度计算方法，以及各种类型磁环编码器的实现理论。
1 编码器介绍
磁环编码器是一种用来测量物体位置和运动的装置。它基于磁性材料的特性，通过检测磁场的变化来确定位置和运动信息。
磁环编码器由一个磁性材料制成的磁环和一个磁传感器组成。磁环通常由永磁材料制成，具有一定的磁场强度。
当磁环相对于磁传感器移动时，磁场的强度会发生变化。磁传感器会测量这个变化，并将其转换成电信号。通过分析电信号的变化，可以确定磁环的位置和运动信息。
磁环编码器的工作原理可以分为两种类型：绝对编码器和增量编码器。
绝对编码器可以直接读取物体的位置信息。它使用多个磁极来编码位置信息，并通过磁传感器读取每个磁极对应的磁场强度。通过分析磁场强度的变化，可以确定物体的绝对位置。
增量编码器只能测量物体的相对位置和运动信息。它使用一个磁环和一个磁传感器，通过测量磁场的变化来确定物体的运动方向和距离。通过将每个磁场变化转换成脉冲信号，可以计算物体的运动距离。
总的来说，磁环编码器通过检测磁场的变化来测量物体位置和运动信息。它可以广泛应用于机械设备、自动化控制系统等领域。
2 实现原理介绍
2.1 磁环功能分析
使用磁环对圆的一周进行无线细分，通过霍尔器件测试当前磁环上的波形。通过门限值判定其高电平或者低电平
测试所得波形图如下：
2.2 硬件实现方式
该编码器由两部分组成：
- 图案式磁转子：该转子使用了类似于光的图案式码盘原理，如上图中磁场的分布不均匀且拥有全系列，可以最大程度将一圈分成近似光电水平的粗分数，达到高精度的测量
- 图案式定子：该定子使用了与式磁转子匹配的测量方案，可以在极小尺寸下测量的同时将编码器角度解析并精确、同步输出
3 编码器参数
对编码器而言，主要参数是：编码器精度。而影响该参数的因素有许多，其具体如下：
3.1 编码器精度
编码器作为角度测量装置，其拥有两种精度参数：
- 绝对定位精度
- 重复定位精度
绝对定位精度是指：
对于编码器测量得到的数据与真实物体世界的差值大小。（例：对于一个物体指向30˚方向，两个编码器同时测量到其指向的角度为30.08˚、29.98˚，那么第二个编码器则比第一个编码器精度在30˚位置时的精度更高。如果一个编码器在全量程也就是360˚中，每一个点位置的测量数据与真实物体角度误差在0.05˚内，我们则称0.05˚就是其绝对精度。）
重复定位精度是指：
编码器返回该位置时得到的数据与上次在该位置时数据的差值大小。（例：如对于一个物体指向30˚方向，编码器测量到的数据为30.02˚，然后物体运动到另一个位置后又返回30˚，编码器测量得到的数据为30.01˚，那么该过程中的精度为0.01˚。同理，编码器在全量程360˚中，每一个位置的返回值误差都在0.01˚内，那么这个0.01˚则是编码器的重复精度。）
总结：
绝对定位精度是基于状态的，其精度的参考坐标是真实物理世界；
重复定位精度是基于过程的，其精度的参考坐标是上一次该位置的测量值。
3.2 影响编码器精度的因素
一个测量过程中，拥有至少两件物体：测量装置、被测量装置，影响最终测量结果的因素有：
- 位置：两个装置的相对物理位置
- 环境：该过程发生的周围环境
上两个因素是影响所有测量过程的主要基础因素，两者都会直接造成测量精度的偏差。
1） 安装误差
编码器中，每一种测量原理一定拥有测量装置（静件）与被测量装置（动件），将被测量装置与实际应用中要测量的物体联结，测量装置与要其壳体联结，则这时就引入了两个误差：
- 动件安装误差
- 静件安装误差
这两个误差再加上被测量物体运动时的抖动误差，都影响着动静件之间的相对位置，则影响测量得到数据的精度。
2）环境因素
由于各种测量原理的不同，每一种原理对环境的影响因素略有不同。
- 温度：各种原理都要面对的问题，均提出了相应的解决方案、算法。
- 固体颗粒（灰尘、杂物）：光电编码器较敏感，会影响码盘上光的通过，造成丢数甚至数据错误。解决：完整的密封壳体封装
- 湿度：感容式编码器较敏感，会影响电容率，进一步影响获取到的数据。解决：密封隔绝
- 液体：光电编码器、感式编码器较敏感，会影响光电的光通过率，感容式的电容率。解决：密封壳体或封胶密封
- 磁干扰：磁编码器较敏感，会与磁环的磁场叠加。解决：磁屏蔽罩方案
4 角度计算方法
4.1 单对极编码器
单对极磁铁，则是拥有一对NS极的磁铁，与上面128极的磁环不同，其产生的磁场只拥有一个周期，当我们使用两个线性霍尔来读取时，两个线性霍尔放置相差90˚，与磁环的磁位角90˚对齐，如下图，其磁场旋转强度变化如下：
下图为两个霍尔测到的表磁大小：
而两个霍尔分别得到了一个周期的磁场强度波形，而两个正交的波形则可以使用如下公式计算：
α = arctan(y1,y2)
α 为其于360˚中的唯一对应值，则在使用过程过，得到某一刻的y1，y2值，通过计算出该值以对应当前磁环所在的角度。
4.2 磁游标编码器
单对极磁编码器其物理精度有限，当需要更高精度时，则需要进行物理继分，如上面128极磁环那样，但如果只是有128极，是没法得到一圈中的绝对角度的，这时，游标方案则可以在实现更高分辨率的同时实现绝对角度的测量。
4.2.1 游标方案实现原理
1）使用两条磁码道进行测量，每条码道由多个NS极充磁组成，则在每一对NS产生的磁场上；
2）通过单对极的同样原理得到该对极角度范围内的绝对定位，但是如何定位全局角度定位呢，奥秘就在于内外圈NS极对数的数量。
4.2.2 一个实例磁环分析
一个实例，上图磁环分析：
1）外圈由32对磁极组成，
2）内圈由31对磁极组成
3）在每一个径向方向上，其内外圈的磁感应强度差都都是不同的，而正是这个差值，使得了成为定位圆周位置的数据来源。
对于单对极来讲，游标方案拥有更高的物理精度与分辨率。
5 磁刻线编码器
磁刻线则是使用了相比游标更精密的方案，其实现原理如下：
step -1:
将磁铁充磁为很多条细线，而细线的宽度均不同，以NS代表产生的磁场磁化方向代表0、1
step -2:
该编码是一种头尾相连的编码方式，一定宽度内可以得到不同的编码，
step -3:
使用大量而密集的霍尔对磁线进行读取，得到当前的编码器的粗绝对位置，
step -4:
如上面的游标中粗分为32份一样，再根据区域内的磁场总失量来得到更为精细的物理角度。
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