D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.03.018 第22卷第3期 北京科。技大学学报 Vol.22 No.3 2000年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2000 零脉冲高分辨率磁编码器的研制 田跃 和文国李彦林 黄筱玲 北京科技大学应用科学学院，北京100083 摘要编码器在许多应用场合要求每旋转1个周期给出1个零脉冲信号.要满足这一使用 要求，在前期增量型高分辨率磁编码器的研究基础上，对具有零脉冲信号输出的磁编码器的结 构设计、信号触发磁鼓的试制、磁敏电阻敏感元件制备、电子信号处理的研制过程进行讨论。 关键词磁敏电阻：编码器：零脉冲 分类号TP212:TP732 编码器是电机控制系统的转角、转速测量 应磁场强度变化，并转化成电阻大小的变化，经 的关键传感器，其工作原理如图1所示.由图1 过信号处理得到标准TTL矩形脉冲信号，从而 可以清楚地看到，编码器除了给出每旋转1个 实现数字化转化 周增量脉冲个数外，在许多应用场合，如记录累 旋转方向 计旋转圈数、标准位置定位、参考零位确定、清 零消除每周输出脉冲数积累误差等方面，将零 位信号反馈给主控系统，实现全过程自动控制. 零脉冲探测器 前部系统 速 电动机 编码器 多极磁 移控制 度控 电流控制 化磁极 信号处 理电路 增量型信号 零位 信号 伺服电机 反馈信号 图2磁编码器结构原理图 图1编码器电机控制工作原理 Fig.2 Structural drawing of magnetic encoder Fig.1 Principle of motor control by encoder 2零脉冲磁编码器的研制过程 本文将对具有零脉冲参考信号高分辨率磁 编码器的研制过程进行详细讨论.在高分辨率 2.1具有零参信号的永磁磁鼓 磁编码器机理研究的基础上，进一步完善传感 本研究选用超精细粘接永磁材料注塑成 器应用特性，努力为我国工业自动化提供高性 形，采用计算机控制旋转充磁方法，将带零脉冲 能的基础传感器， 参考信号磁编码器的磁鼓充磁如图3所示结构. 磁鼓有2个轨道：增量脉冲轨道和零脉冲参考 1普通增量型磁编码器的工作原理川 轨道.增量轨道信号为编码器的每周期磁极个 高分辨率的磁敏电阻式编码器的结构如图 数即磁编码器的分辨能力：零脉冲参考轨道，每 2所示，主要部分由磁敏电阻敏感元件、永磁磁 周只充出1对磁极 鼓、信号处理电路及机械结构组成. 2.2敏感元件设计与零脉冲信号的检出 多极充磁的磁鼓将圆周分割成以磁极间距 为了将上述磁鼓增量脉冲轨道和零脉冲轨 为入的周期性磁场强弱变化，当磁极随着转动系 道磁场强弱信号同时检测出来，本研究将坡莫 统运动时，磁敏电阻作为敏感元件非接触的感 合金Ni-Fe,NiCo各向异性磁敏电阻薄膜材料， 采用光刻方法制成如图4(a)所示的结构.其中 1999-12-24收稿田跃男，43岁，副教投 条纹18为具有一定位相差增量型脉冲信号检 *国家自然科学基金资助课题(N0.69574002)
第 2 卷 第 3 期 2呀阅旧 年 ` 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u nr a l o f U n iv e sr i yt o f s e i e n e e a n d l ’c c h n o】o gy B e ij i n g V b L 22 J U n e N 0 3 2 0 0 零脉冲高分辨率磁编码器 的研制 田 跃 和文 国 李彦林 黄筱玲 北京科技大学应用科学学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 编码器 在许 多应用场 合要求 每旋转 1 个 周期给 出 1 个 零脉冲信号 . 要 满足 这一使 用 要求 , 在前 期增量型 高分辨率磁 编码器 的研 究基础 上 , 对具有 零脉冲 信号输 出的磁编 码器 的结 构设 计 、 信号触 发磁鼓 的试制 、 磁 敏 电阻敏感元 件制 备 、 电子信 号处理 的研制 过程进 行讨 论 , 关键 词 磁敏 电阻 : 编码 器 : 零脉 冲 分类 号 仰 2 12 : TP 7 32 编码器是 电机 控制 系统 的转角 、 转速测量 的关键传 感器 , 其工 作原理如 图 1 所 示 . 由 图 1 可 以清楚地看到 , 编码器 除了给 出每旋转 1 个 周 增 量脉冲个数外 , 在许 多应用场合 , 如记 录累 计旋 转圈数 、 标准位置 定位 、 参考零位确定 、 清 零 消除每 周 输出 脉冲数积 累 误差 等方面 , 将零 位信号反 馈给主 控系统 , 实现全过程 自动控制 . 应磁场强度变化 , 并转化成 电阻大 小的变化 , 经 过信号 处理得到标准 T L 矩形脉冲信号 , 从而 实现数字化转化 . 旋转方向 前 位 速 电 部 移 度 流 系 控 控 控 统 制 制 制 零脉冲探测器 多极磁 化磁极 二二 :信号处 理 电路 图 1 编码器电机控制工作原理 F电 · I P山 e i P l e o f m o t o r e o n t or l b y e n c od e r 本文 将对具 有零 脉冲参 考信号高分辨率磁 编码 器 的研制过程进 行详细 讨论 . 在 高分辨率 磁编码器机理研 究的 基础 上 , 进 一步完善传感 器 应用特性 , 努力为我 国工 业 自动化提供 高性 能 的 基础 传感 器 , 1 普通增量型磁编码器 的工作原理`1 高分辨率 的磁敏 电 阻式编码 器的结构如 图 2 所示 , 主 要部分 由磁敏 电 阻敏 感元 件 、 永磁磁 鼓 、 信 号 处 理 电路及机械结 构 组 成 . 多极充磁 的磁鼓将 圆周 分割成 以磁极间距 为入的周 期性磁场强 弱 变化 , 当磁 极随着转动 系 统运动时 , 磁敏 电阻作 为敏感元件非 接触 的感 1卯9 一 1 2 一 2 4 收稿 田 跃 男 , 43 岁 , 副 教授 * 国家 自然 科学基 金资助课 题 ( N o . 6 9 5 74 0 2) 图 2 磁编码器结构原理图 F ig · 2 S t ur e ut r a l d r a w i n g o f m a g n e it e e n c ed e r 2 零脉冲磁编码器 的研制过程 2 . 1 具有零参信号 的永磁磁鼓 本研 究 选用 超精 细粘 接 永磁 材料 注 塑成 形 , 采用计算机控制 旋转充磁方法 , 将带零脉冲 参考信号磁编码器的磁鼓充磁如 图3 所示结构 . 磁鼓有 2 个轨道 : 增量脉冲轨道和 零脉冲参考 轨道 . 增 量轨 道信号为编码器的每周 期磁极个 数即磁 编码器 的分辨能力 ; 零脉冲 参 考轨道 , 每 周 只 充 出 1 对磁极 . .2 2 敏感元件设计与零脉冲信号 的检出 为 了将上述磁鼓增量脉冲轨道和 零脉冲轨 道磁场强弱信号 同时检测 出来 , 本研 究将坡莫 合金 N l一 Fe , N l曰 C 。 各 向异 性磁敏 电阻薄膜材料 , 采用光刻方法制成如 图 4 ( a) 所示 的结构 . 其 中 条纹 1一 8 为具 有一定 位相 差 增 量型脉冲信号检 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 03. 018
VoL22 No.3 田跃等：零脉冲高分辨率磁编码器的研制 ·2570 出磁敏电阻条.将它们按位相关系分别组合成 R 全桥差动结构，从而输出与磁鼓增量轨道充磁 极数相同或经过倍频后的双路2位相差脉冲 个A个U个U 信号四. U 磁力线 U2 磁鼓 零参考轨道 →NS 图5磁敏电阻元件零脉冲信号检测输出波形 NN SS NN SS NN S Fig.5 Output wave of the magneto resistance element 2.3零脉冲信号处理 增量轨道 磁鼓增量式轨道上的磁极间距为入，而零参考 轨道上的磁信号间距由于无相邻磁极影响略大 图3零参考探测器的传感器磁鼓的结构 于入.所以零参考探测器的信号大于1个增量脉 Fig.3 Magnetic drum structure with zero signal 冲周期，由于增量脉冲的准确计数是根据零参 考信号触发重新设置零点，所以，系统的精度就 N4 与零参考信号的宽度有关，见图6.对于1个宽 (a) 磁传感器 信号（虚线）而言，正向检测到的零点是c点，反 R.R ia b 'c id ie ifig III 12345678 增量脉冲 6) 宽脉冲 一窄脉 R 零参考脉冲 反方向← >正方向 图6零脉冲信号的宽度与零参考点位置的关系 Fig.6 Relationship between width of zero pulse and place of zero reference 图4零参考信号检测的敏感元件.()散感元件 向零脉冲信号与增量输出信号探测到的零点是e 结构：b)磁数元件的连接 点.这2个零位基准点并不相同.为了提高系统 Fig.4 MR element for detecting zero signal 精度，零参考信号应该与转动方向无关，因此零 在磁敏电阻芯片中，有2个面对零参考轨 参考信号宽度必须小于增量脉冲的1个周期. 道的MR元件即Rz,和Ra,以及2个面对增量式 在带零脉冲信号的磁编码器中，双路增量 轨道的MR元件即Ra和Ra.Rz与Ra的间距为 冲信号与零脉冲信号的时序如图7(a)所示.从 /4,Rz与Ra之间的距离为(2n+1/4),(n为整 图7(b)中不难发现，只要A相、B相与零脉冲相 数).因此，磁敏电阻芯片中Rz1与R4和Rn与 乘，即可使零脉冲宽度小于1个增量脉冲周期. Ra所对应的位相角度差为(2+1)Wd,(d为磁鼓采用门电路将A相、B相及零脉冲信号输入，即 直径).这4个磁阻元件组成如图4b)中的全桥可得到比增量脉冲窄的零脉冲信号. 结构，当磁鼓转动时，Rz与R阻值的变化，如 2.4电路结构 图5所示，当电桥的电压为U,电压为U,则全 磁编码器信号处理电路包括4个部分：放 桥输出电压Uz为(U,-U)的差值，由此得到零 大部分、比较部分、整形部分和倍频部分.电路 参考信号. 原理框图如图8所示：
V b L 22 N 0 3 田跃等 : 零脉冲 高分辨 率磁 编码器 的研制 一 25 7 . 出磁 敏 电阻 条 . 将它 们 按位相 关 系分别 组合成 全桥差动结构 , 从而 输 出与磁鼓增 量轨道 充磁 极数相 同或经过倍 频后的双路侧2 位相差脉冲 信号 `2] . 凡 凡 `下不飞份下下下 戈今了猫人了又刃屯才 次 或 认认 磁力线 r 零参考轨道 — 区 . _ 一 到 N IN S }5 N IN 5 15 N IN S 增量轨道 图 3 零 参考探测器的传感器磁鼓的结构 F 咭J M a 郎e it e d ur m s trU c ot er 初t h z e or s妙 a l 磁传感器 图 5 磁敏 电阻元件零 脉冲信号检测输出波形 F ig . 5 o u tP u t w a v e o f t h e m a 郎et o esr is at n e e e le m e n t .2 3 零脉冲信号 处理 磁鼓增量式轨道上 的磁极 间距为入 , 而零参考 轨道上的磁信号间距 由于无相邻磁极影响略大 于 入 . 所 以零参考探测器 的信号大于 1 个增量脉 冲周期 , 由于增量脉冲 的准确 计数 是根据 零参 考信号触发重新设置零点 , 所 以 , 系统 的精度就 与零参考信号的宽度有关 , 见 图 6 . 对 于 1 个 宽 信号 (虚线 ) 而 言 , 正 向检测到 的零点是 c 点 , 反 、 : ! l 、 、 l}}}}}川卜 。 : b : 。 : d : e : r : } g 1 2 3 4 5 6 7 8 增量脉冲 宽脉” 丫 一 窄脉 零参考脉冲 { . ! 1 一 反方向 硬- - - - - - - - - - - ) 正方 向 圈 6 零脉冲值号的宽度与零参考点位 , 的关系 F坛 . 6 eR al iot o s h lP b e幻砰 e n 树 d th o f ez or P u城 a n d P肠 ce o f z e or er fe er n e e 圈 4 零参考倍号检测的敏感元件 . a( )敏感元件 结构 ; 伪)磁敬元件的连接 F抽 . 4 M R le m en t fo r d et eC 灯血 9 ez er s妙al 在磁敏 电阻 芯 片中 , 有 2 个面对零参考轨 道 的 M丑 元件即 zR , 和 几 , 以及 2 个面对增量式 轨道 的 M R 元件即 凡 和 R 翻 . zR : 与 R 口 的间距 为 刀4 , 凡 与 R z 司 之 间的距 离为 ( 2n +l 4/ ) 入 , (n 为整 数 ) . 因 此 , 磁 敏 电阻 芯 片 中 ZR , 与 踢 和 踢 与 几所对应 的位 相角度差 为 (2n +1 )刀J , d( 为磁鼓 直径 ) . 这 4 个磁阻 元件组成如 图 4伪)中的全桥 结构 , 当磁鼓 转动 时 , zR , 与 R z月 阻值 的变化 , 如 图 5 所 示 . 当 电桥 的 电压为 认 , 电压为 lU , 则全 桥输 出电压 zU 为 ( 以 一 认) 的差 值 , 由此得到零 参考信号 . 向零脉冲信号与增量输 出信号探测到的零点是 e 点 . 这 2 个零位基准点并不相同 . 为了提高系统 精度 , 零参考信号应该与转动方向无关 , 因此零 参考信号宽度必须 小于增量脉冲的 1 个周期 . 在 带零脉冲信 号的磁编码器 中 , 双 路增量 冲信号与零脉冲信号 的时序如 图 7 ( a) 所 示 . 从 图 7 b( ) 中不难发现 , 只 要 A 相 、 B 相 与零脉冲相 乘 , 即可 使零脉冲宽度小于 1 个增量脉冲周期 . 采用 门电路将 A 相 、 B 相及零脉冲信号输入 , 即 可得到 比增量脉冲 窄的零脉冲 信号 . .2 4 电路结构 磁编码器信号处 理 电路包 括 4 个部分 : 放 大部分 、 比较 部分 、 整形部分和倍频部分 . 电路 原理框 图如 图 8 所示 :
258· 北京科技大学学报 2000年第3期 (a) 双路90°位相差和零参考脉冲信号.经测试零 A 脉冲信号宽度小于等于增量脉冲信号的宽度. 零脉冲 B相 一 增 零脉 (b) A相 B相 图9磁编码器输出信号图 Fig.9 Zero pulse signal and two phase incremental signal 罗脉冲 零脉冲输出1 3结论 (1)将注塑永磁材料采用计算机控制充磁 图7增量脉冲与零脉冲位相图，(a)增量脉冲与零脉冲信 方法，制成具有零脉冲和增量脉冲双轨道信号 号的时序图：(b)信号叠加位相图 触发磁鼓， Fig.7 Phase angle relationship of incremental pulse and (2)将坡莫合金AMR薄膜制成具有特定位 zero pulse 相关系，能同时采集零脉冲和增量脉冲磁场强 度变化的磁敏感元件芯片. 零脉冲原始 零脉冲 (3)为了保证零脉冲信号窄于增量脉冲宽 信号 输 度，通过传感器结构设计，利用所研制的磁敏 增拭脉冲 感元件芯片和磁鼓之间位相关系，采用现代微 原始信号 增量输： 电子和数字技术，成功地研制出带有零脉冲、 输出分辨率达到10脉冲/周的增量型高分辨率 稳压电源 磁编码器实验室样品. 图8磁编码器信号处理电路原理框图 参考文献 Fig.8 Magnetic encoder circuit frame drawing 1川跃，和文国，李彦林，等.低成本的高分辨率磁编码 器的研究.传感器世界，1999(9)：7 本研究的测试结果如图9所示.从图中可以 2出跃，和文国，王元玮，等，当代磁敏传感器的发展与 清楚看到高分辨率磁编码器输出信号同时具有 应用.传感器世界，1996(8)：22 Magnetic Encoder Investigation with Zero Pulse Signal TIAN Yue,HE Wenguo,LI Yuanlin,HUANG Xiaoling Applied Science School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Both a magnetic drum,with a zero reference track and an incremental track,and responsive detective magneto-resistance sensor has been described.A new magnetic rotary encoder has been developed. Magnetic encoders are quite rugged,offering reliable operation in environments where high vibration,tem- perature,moisture or dust may exist. KEY WORDS encoder;magneto-resistance;zero pulse
. 2 58 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 年 第 3 期 A 相 双路 90 “ 位相差 和 零参考脉 冲信号 . 经测 试零 脉冲信号宽度 小于等于 增量脉冲 信号的 宽度 . B 科j 零脉川 。 ) A 相 ” 竺 ~ 渭拉 图 , 磁编码器翰 出信号图 F i g · 9 Z e or P u琉 s i gn a l a n d wt o P h a s e in e er m e n at l s馆n a l 零脉 零 冲 脉 输 冲 片位— 图 , 增 l 脉冲与零脉 冲位相图 . a( )增量脉 冲与零脉冲信 号的时序图 ; ( b) 信号 . 加位相图 F啥 . 7 P卜a s e a n gle er al d o n s h i P o f i n e er m e n at l Pu ls e a n d ez 功 p u映 零脉 信 冲 号 原始 整 零信 脉号 刊 i鉴 放 比 形 增量脉冲 较 原始信号 稳压 电源 图 8 磁编码器信号处理电路原理框图 F电 · S M a沙 e 6 c e . e do e r e icr u i t fr a m e d r a w i n g 本研究的测 试结果 如 图 9 所示 . 从 图中可 以 清楚看到高分辨率磁编码 器输 出信号同 时具有 3 结论 ( l) 将注 塑永磁材料采用计 算机控制充磁 方法 , 制成具有零脉冲和 增量脉冲双轨道信号 触发磁 鼓 . (2 ) 将坡莫合金 A M卫 薄膜制成具有特 定位 相 关 系 , 能同 时采集零脉冲和 增量脉冲磁场强 度变化的磁敏感元件芯 片 . (3 ) 为了保证 零脉冲信号窄于 增量脉冲 宽 度 , 通过传感器 结构设计 , 利用所研制 的磁敏 感 元件 芯 片和 磁 鼓之 间位相 关 系 , 采用 现代微 电子 和 数字技术 , 成功地研制 出带有零脉冲 、 输出分 辨率达到 10 , 脉冲 /周 的增量型 高分辨率 磁 编码 器 实验室样品 . 参 考 文 献 1 田跃 , 和 文国 , 李彦林 , 等 . 低成本 的高 分辨率磁 编码 器 的研 究 . 传 感器世界 , 19 99(9) :7 2 日l跃 , 和 文国 , 王元玮 , 等 . 当代 磁敏传感 器 的发 展与 应用 . 传 感器世界 , 199 6( 8) : 22 M a gn e t i e E n e o d e r Ivn e s t i g at i o n w i ht Z e or P u l s e S ign a l 乃叼刀 uY e, I I E 肠刀g祝 0, lL uY an iln, H UA N G iX a o lign A P Pli e d S e ien e e S e h o l , U S T B e ij in g , B e ij ign 100 8 3 , hC ina A B S T R A C T B o ht a m a gn et i e id 刀m , w iht a ez or er fe r e n e e tr ac k an d an in c r e r n e ant l tr a c K an d er SP osn i v e d e t e ict ve m a gn eot 一 er s i s atn e e s e n s or h as b e e n de s e ir b e d . A en w m a , et i c r o t田了 cen o d e r h as b e en d e v e l o ep d . M a邵 e ti e cen de e r s aer qul te ur g g e d , o fe irn g er liab l e o ep r a t i o n in e n v ir o 刊m e snt hw e er hi hg v ib ar t i叽 扭m - 伴倒址e , mo l s权叮e or du st m ay ex ist . K E Y WO R D S en e od e r : m a gn eot 一 er s i s at n c e : z e or Pul s e