基于霍尔原理的绝对式磁编码器的研究

【摘要】：磁编码器是由磁敏感元件通过感应磁场变化从而来测量位置变化的位置传感器。自上世纪80年代以来,磁编码器以其精度高、体积小、环境适应能力强和抗干扰能力强等优势逐渐成为编码器研究领域的热点。随着磁敏元件技术的不断发展,磁敏感元件的成本越来越低,磁编码器的性能也随之提高。因此,长远来看磁编码器具有相当的市场潜力,可以预见,在不久的将来,在许多领域内磁编码器会取代光电编码器。磁编码器的性能主要取决于磁敏感元件的性能、磁体材料性能、磁栅码道的布置和处理电路的处理能力等。由于传统布置形式的高分辨率磁栅会使磁编码器整体体积增大,限制编码器的应用范围;低分辨率磁栅需要对采集的原始信号进行细分处理,增大累积误差的同时也加重了后续电路的处理负担,导致精度较低。因此,为了达到集成化和高精度的目的,本文研究了一种基于霍尔原理的绝对式磁编码器样机,该编码器样机具有16位分辨率,初始精度可达0.0908('5.45)。其磁栅采用独特的双码道设计,这种码道布置形式不仅避免了累计误差对编码器精度造成的影响,同时也解决了磁栅的高分辨率和小体积之间的矛盾。另外,考虑到未来应用中对编码器的精度要求,本文探索了一种提高编码器输出精度的误差补偿方法,通过误差补偿后的编码器精度得到很大改善,为今后编码器的应用拓展提供了理论基础。磁栅是编码器信号产生的基础,磁栅上磁极码道的布置形式直接决定了编码器的整体结构和性能,本文首先根据游标解算原理,确定了磁栅码道的布置形式和磁敏感元件的信号采集形式,并利用集成式霍尔芯片设计了磁编码器的解算电路。另外,由于磁栅上的磁场质量直接决定了磁编码器信号发生部分的输出性能,所以本文基于经典静磁学理论,构建了多对极磁栅磁场分布模型,通过理论计算推导出双码道磁栅上磁场的分布规律,运用Matlab、Ansoft和Ansys软件对磁栅磁场及结构进行仿真分析,制定出信号发生部分的整体布置方案,最终确定编码器的整体结构。此外,为了提高编码器输出精度,本文提出一种基于遗传优化算法的误差补偿模型,该方法与传统的拟合方法相比具有明显优势,能将编码器的输出精度在现有基础上普遍提高2~3倍,为未来进一步提高编码器的性能找到了一个可行的方向。