一種基于各向異性磁阻的旋轉(zhuǎn)編碼器

余 蓉，毛偉軍

（1.馭芯科技（上海）有限公司，上海 201318；2.上海麥歌恩微電子股份有限公司，上海 201318）

0 引 言

編碼器是將機(jī)械運(yùn)動中轉(zhuǎn)速、位移和轉(zhuǎn)度等物理量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖化電信號的一類傳感器件[1]。旋轉(zhuǎn)編碼器通常用于旋轉(zhuǎn)物體角度和速度的測量，通常與電機(jī)配合，在工業(yè)自動化控制、家用電器和辦公自動化設(shè)備等方面有著廣泛應(yīng)用[2]。

旋轉(zhuǎn)編碼器按輸出形式可以分為絕對型編碼器和增量型編碼器；按原理可以分為接觸式旋轉(zhuǎn)編碼器和非接觸式旋轉(zhuǎn)編碼器[3]。電位計是典型的接觸式傳感器，由于機(jī)械接觸的原理，其存在可靠性低、使用壽命有限等固有缺陷。常用的非接觸式旋轉(zhuǎn)編碼器主要有光電編碼器、磁旋轉(zhuǎn)編碼器、脈沖發(fā)生器和霍爾元件等。目前，應(yīng)用最廣的是光電編碼器，基本原理是由一個紅外對射式光電傳感器和一個由遮光線和空隔構(gòu)成的碼盤組成，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時，遮光線和空隔能阻攔紅外光束或讓其通過。但是，光電編碼器受環(huán)境的影響較大，對灰塵油污和潮濕氣體等敏感，可靠性差。磁旋轉(zhuǎn)編碼器一般為封閉式結(jié)構(gòu)，不易受外界環(huán)境的影響，且能實現(xiàn)小型化，低成本，高可靠性。

1 各向異性磁阻技術(shù)概述

在通有電流的金屬或半導(dǎo)體上施加磁場時，它的電阻值將發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為磁致電阻效應(yīng)，也稱磁電阻效應(yīng)（MR）。

某些金屬如鐵、鈷、鎳及其合金等，其磁阻變化與磁場和電流間夾角有關(guān)。當(dāng)外部磁場與磁體內(nèi)建磁場方向成0°角時，電阻不會隨著外加磁場變化而發(fā)生改變；當(dāng)外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有一定角度時，磁體內(nèi)部磁化矢量會偏移，薄膜電阻降低，稱為各向異性磁電阻效應(yīng)（Anisotropic Magnet Resistive Sensor，簡稱AMR）。

1857年，Thomson發(fā)現(xiàn)坡莫合金（Ni-Fe）的各向異性磁阻效應(yīng)。從圖1中可以清晰發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場方向與電流方向平行時，磁阻的變化值最大；當(dāng)磁場方向與電流方向垂直時，磁阻的變化最小。而當(dāng)磁場方向與電流方向成45°夾角附近時，磁阻工作于線性區(qū)，可以實現(xiàn)輸出的線性特性。

圖1 坡莫合金的AMR效應(yīng)

AMR磁阻傳感器采用四個磁阻組成惠斯通電橋，如圖2所示。當(dāng)在電橋上施加偏置磁場H在電橋上時，兩個相對位置的電阻磁化方向會朝著電流方向轉(zhuǎn)動，這兩個磁阻的阻值會增加；另外兩個電阻的磁化方向會朝著電流相反的方向轉(zhuǎn)動，其電阻值會減少。通過測量電橋兩端輸出的電壓差信號，即可得到外界的磁場值。

AMR磁阻傳感器感應(yīng)的是磁場方向的變化，因此可以靈敏探測地磁場范圍內(nèi)的磁場，是相對于霍爾技術(shù)成本更低的一種解決方案，通?？梢杂糜趯?dǎo)航、旋轉(zhuǎn)位置傳感器和電流傳感器等各種應(yīng)用場合。

圖2 AMR傳感器等效電路

圖4 MTR611輸出信號圖

2 基于AMR技術(shù)的旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)計

本方案采用的AMR磁阻傳感器是MagnTek推出的MTR611。該芯片內(nèi)部有2個AMR惠斯通電橋，工作于飽和磁場狀態(tài)下。在這種工作模式下，電橋電阻的改變僅僅取決于磁場方向，而非施加的磁場強(qiáng)度。該特性決定了AMR技術(shù)特別適合用于角度測量，而不是像傳統(tǒng)的霍爾技術(shù)需要特殊的磁路設(shè)計來間接測量磁場方向。在磁場方向轉(zhuǎn)動過程中，能分別對應(yīng)輸出正弦和余弦曲線，配合合適的磁鐵，即可用于線性或角位移檢測。

MTR611的輸出信號是毫伏特級別，電機(jī)控制器無法直接使用，即需要對輸出信號進(jìn)行放大等處理。

本旋轉(zhuǎn)編碼器通過MCU控制，對AMR磁阻傳感器的輸出信號進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波，然后通過Cordic算法進(jìn)行計算，將采集到的信號解碼成電機(jī)控制器可以使用的角度信息。它有兩種輸出形式可選，分別為ABZ增量信號和0～5 V模擬線性輸出，且可以同時提供SPI信號接口。具體實現(xiàn)框圖如圖3所示。

電機(jī)轉(zhuǎn)動時，搭配的磁鐵形成一個變化的磁場，各向異性磁阻（AMR）芯片采集磁場變化信號，將其轉(zhuǎn)換成正弦和余弦輸出信號，如圖4所示。AMR輸出信號經(jīng)放大器（PA）進(jìn)行放大，進(jìn)入MCU進(jìn)行處理。MCU包含模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、數(shù)字濾波、計算和輸出等模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）將放大后的正弦和余弦信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)字濾波，通過Cordic算法對數(shù)字信號進(jìn)行計算，并解碼成角度信息。包含角度信息的信號一路通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（DAC）轉(zhuǎn)換成0～5 V的模擬線性輸出信號；另一路進(jìn)行插值計算，轉(zhuǎn)換成A、B、Z的增量信號輸出，輸出信號如圖5所示。圖6是MCU的SPI信號圖。

圖5 A、B、Z增量輸出信號圖

圖3 旋轉(zhuǎn)編碼器電路原理框圖

圖6 SPI信號圖

3 結(jié) 論

綜上所述，通過對各向異性磁阻技術(shù)的研究，設(shè)計了一種用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)動位置的旋轉(zhuǎn)編碼器的低成本解決方案。采用各向異性磁阻技術(shù)對感應(yīng)信號進(jìn)行放大，通過MCU進(jìn)行模數(shù)處理、數(shù)字濾波和算法計算，實現(xiàn)了模擬線性和數(shù)字增量信號等多種輸出方式，降低了旋轉(zhuǎn)編碼器的成本。

[1] 裴 軼，虞南方，劉 奇，等.各向異性磁阻傳感器的原理及其應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2004，（8）：26-27.

[2] Josef Janisch.非接觸式旋轉(zhuǎn)編碼器綜述[J].世界產(chǎn)品與技術(shù)，2006，（4）：53-54.

[3] 王小祥.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的簡介與應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016，（10）：118-119.