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假如我來做一個單對磁極17位磁編
2018/8/1 13:30:06 標簽：中國傳動網(wǎng)
之前講到了單對磁極的17位的磁編是個大坑,引起了圈內(nèi)人群的關(guān)注與議論,有網(wǎng)友的意見是沒講明白磁編,也有網(wǎng)友對沒講透磁編就說17位磁編是個坑，下的結(jié)論似乎沒道理。這樣一個17位磁編成了繞不過去的話題,今天就以本人對磁編的實踐與理解來講解這兩年來的熱點——17位磁編。
一、磁編的原理與產(chǎn)生
磁感應(yīng)傳感器很早就有出現(xiàn)了,霍爾感應(yīng)的和磁阻感應(yīng)的，但真正作為商品磁感應(yīng)編碼器,大約出現(xiàn)在2005年至2006年初.當時奧地利微電子推出了AS5040系列磁感應(yīng)芯片（AS5040，AS5043，AS5045等）。我在2006年底開始測試試驗AS5043芯片，在2007年開發(fā)AS5045磁編的應(yīng)用。其中AS5045輸出12位串行信號，或者256脈沖的AB相信號，給與編碼器廠家極大的制作磁編方便性，簡單的電源配置加機械轉(zhuǎn)軸和外殼，即可快速生產(chǎn)出磁感應(yīng)編碼器，而早期的磁編芯片，僅僅是為替換電位器而設(shè)計的。
AS5045（包括AS5040,AS5043）很快成為了一款賣了十多年的經(jīng)典磁編芯片，一個小扁圓體的橫向NS磁極的磁鐵，產(chǎn)生一個看不見卻物理存在的磁場，如果有鐵粉撒在下面，你可以看到磁力線及磁場強度弱或強。AS5045設(shè)計了四個正交的霍爾傳感器，這四個霍爾傳感器代替了鐵粉來感應(yīng)小磁鐵磁場強度的強弱變化，好比這樣的磁場類似于是一張磁場地圖，每一個位置感應(yīng)到的磁場強度都是唯一的，在磁編芯片內(nèi)已經(jīng)與設(shè)計的飽和磁場做了圖形預(yù)設(shè)，在測量中與設(shè)計磁場地圖做比對，即可快速獲得在地圖上的位置。
霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。當帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場。檢測這種橫向電壓差的變化的器件，稱為霍爾傳感器。
AS5045內(nèi)部有四個正交的霍爾傳感器
在2007年，RLS公司推出了另一款經(jīng)典磁編AM8192磁編芯片，信號輸出達到了13位。RLS公司后被雷尼紹收購，雷尼紹敏銳的發(fā)覺單磁極磁編做到13位似乎已是頂峰了，轉(zhuǎn)而發(fā)展多磁極（多磁場）方向，并在幾年后發(fā)展了大孔徑絕對值磁編，可用于機器人手臂關(guān)節(jié)的全閉環(huán)測量。
同時，另一種磁感應(yīng)原理也沒有停步——磁阻原理。
磁阻的原理在于某些半導體材料對于磁場強度的敏感性，引起其阻抗值的變化，通過飽和磁場與惠斯通電橋的預(yù)先平衡，當磁場強度發(fā)生改變，電橋平衡改變，而檢測出磁場的變化。磁阻傳感器最初是背磁式感應(yīng)原理獲得突破，并在增量式齒輪傳感編碼器上獲得成功。在磁阻感應(yīng)芯片的背后加入一個較強的磁體，穿透磁阻感應(yīng)芯片，給前方產(chǎn)生一個磁場，芯片處于飽和磁場中央。當前方有鐵磁性材料出現(xiàn)，影響了芯片內(nèi)原有磁場分布，磁阻敏感地發(fā)生阻抗變化，并被電橋檢測出來。
GMR
磁阻的敏感度比霍爾感應(yīng)更快更敏感，其響應(yīng)速度優(yōu)于霍爾感應(yīng)，適合于高速的旋轉(zhuǎn)齒輪測量，經(jīng)過芯片波形整定輸出正余弦信號，再可細分成更高分辨率的方波脈沖信號，目前這種背磁式磁編有多家磁編芯片廠家提供，用于高速電主軸的轉(zhuǎn)速測量，最高測量轉(zhuǎn)速已可達40000RPM。
在單對圓形NS磁極的上方感應(yīng)型，與經(jīng)典的霍爾感應(yīng)原理（AS5045）相似的安裝方式方面，磁阻廠家也不甘寂寞，霍尼韋爾、英飛凌、安華高等也都推出了相對應(yīng)的產(chǎn)品。例如，2011年英飛凌的TLE5012，12位或15位的信號輸出。
因為磁阻感應(yīng)的靈敏度比霍爾式的高，響應(yīng)也快，磁阻傳感器芯片廠家信心滿滿，意圖在高分辨率上有比霍爾原理有更多的突破，英飛凌的15位，安華高的16位紛紛登場。但是，靈敏度高同時意味著噪音引入也高，而且阻抗這玩藝不僅僅對磁場敏感，對溫度對周邊電氣環(huán)境一樣的敏感，在12位以上的幾種磁阻傳感器上，輸出的最后幾位都是飄忽不停的。需要用平均算法穩(wěn)定下來，這又犧牲了磁阻響應(yīng)較快的優(yōu)勢。
在霍爾感應(yīng)方面，2015年奧地利微電子在奮斗了十年后，終于將AS5040系列的輸出再提高了2位，推出了AS5047，能夠輸出14位信號，而其增量脈沖信號只有AB相的1024PPR，經(jīng)過四倍頻也只有12位（4096）。
后起之秀日本的旭化成（AKM），主攻伺服電機的磁編，以穩(wěn)定的增量脈沖輸出信號為突破，2014年推出AK7451，有較為穩(wěn)定的AB相1024PPR方波脈沖輸出，其利用日本工業(yè)體系半導體技術(shù)較為領(lǐng)先的優(yōu)勢，在增量方波信號處理上輸出的波形確實比AS5047漂亮。旭化成計劃推出的AK7452，輸出2500PPR方波脈沖和UVW信號，大有取代目前伺服市場上大量的2500線UVW光編趨勢。
AK7451原理圖黑匣子
另外有一群磁編廠家，以游標式多磁極磁編為發(fā)展方向，例如TIMKEN、IC-haus等等。
在國內(nèi)，以江蘇多維電子為首的一批磁編芯片廠家也在興起，多維電子是以磁阻為基本原理，( GMR or TMR?) 隧道磁阻？仍然是阻抗對于磁場敏感度的捕捉原理。期待國產(chǎn)的磁編芯片能夠盡快趕上。
十年間全球磁編芯片廠家各顯神，群雄并起。但只是在奮斗了十幾年后，單對磁極的磁編分辨率有效性也僅僅在14位，而增量脈沖輸出式的在12-13位。而磁編的精度更是在0.3度至1度之間，難以與光編的精度匹敵。
那么是什么限制了磁編在分辨率和精度上升的空間？
二、磁編的“第一原理”
第一性原理（First principle thinking，又稱“第一原理”），是古希臘哲學家亞里士多德提出的一個哲學術(shù)語，其含義是：
每個系統(tǒng)中存在一個最基本的命題，它不能被違背或刪除。
把特斯拉汽車用大推力火箭送上天并奔向火星的馬斯克，在講到創(chuàng)新開發(fā)產(chǎn)品時特別推崇這個“第一性原理”。那么在磁編的發(fā)展創(chuàng)新中不能被違背的第一性原理是什么？是磁鐵是磁場的分辨率與精度是有限的！不管是霍爾還是磁阻，不管是正面對磁場還是背磁式，所有的磁編都要有用到這個磁鐵產(chǎn)生的磁場。磁鐵是不能被刪除被忽略的。
我們生活在地球上，地球的磁場不在南北極中心（盡管我們把磁極用NS表示），也不在一個明確固定的點上，而是一個范圍，隨著地球表面下地幔的運動，磁極在緩慢的漂移。
而目前磁編用的磁鐵都是經(jīng)濟的1元左右通過簡單快速充磁獲得（經(jīng)濟性恰恰是磁編較之于光編的競爭優(yōu)勢），充磁設(shè)備與磁場檢測設(shè)備的精度都有局限性，目前較高的也僅為0.2%，折算到分辨率位數(shù)是512（9位）。磁鐵在使用中因材質(zhì)表面也會發(fā)生“微火山”、“隕石坑”和鐵屑堆積的磁場變化。
其次，磁編都是通過磁場強度的模擬量變化，這種感應(yīng)都還不是線性的，需要磁編芯片線性擬合，這對于每一個充磁獲得的磁鐵都是不一樣（沒有更高精度的磁場檢測裝備，也沒有人工去檢測校準每個磁鐵的線性度一致性）。NS分布的中心線并不是一個明確的界限，而是一個虛線，而且還不一定直線。
幾乎所有的磁編芯片都要經(jīng)過非線性修正，到一個接近于正余弦信號的波形。
所有的補償修正都是以犧牲響應(yīng)速度為代價的，然而還有磁編是感應(yīng)型的，有磁滯現(xiàn)象，還有AD轉(zhuǎn)換運算滯后的時間差，在對于已經(jīng)運動的磁編測量還會帶來運動時間差的角度偏差。
磁場運動滯后偏差
磁鐵安裝偏差
這些都是磁編用經(jīng)濟性磁鐵的局限性造成的先天不足。當然，也許可以在磁鐵材質(zhì)與充磁精度上下足文章，并在磁場檢測設(shè)備和每一個磁鐵嚴格檢測上下足文章（人工投入），但是那樣的磁編成本將遠遠大于光編了，也就失去了磁編的低成本競爭力。而磁編在運動后在響應(yīng)時間上的損失卻是無法補償?shù)摹?/div>
那么，按照第一性原理的思維，磁鐵及磁場和它的感應(yīng)式原理是無法繞過的。磁編的突破就要在磁鐵與磁場上動腦精，在360度一周內(nèi)分割出更多的磁鐵或更多對磁場分布，才能提高磁編的分辨率與精度。多對磁極磁編以及背磁式游標磁編，就是這樣的思維下被開發(fā)出來了。
三、假如我來做一個單對磁極17位磁編
當全球知名磁編芯片廠家經(jīng)過多年努力下，單對磁極的磁編還停在13位14位時，最近兩年國內(nèi)市場卻紛紛冒出了低成本單對磁極的17位甚至更高位數(shù)的磁編，究竟是哪路大神可以突破磁編第一性原理做得出這個高分辨率來？我仔細想想我十年前最初拿著AS5045資料學習的時候所想的問題，答案其實早在十年前就已經(jīng)有了。那么好吧，就好比讓我來做一個17位磁編，挖一下這個單對磁極17位磁編的坑。
第一個小技巧：選擇模擬信號的磁編芯片，數(shù)字串行輸出的原先是多少位的，只有省略減少位數(shù)卻不能再增加位數(shù)了，而模擬信號可以接近無限的AD轉(zhuǎn)換“細分”，靠芯片“分出”很高的分辨率來。
第二個小技巧：選擇數(shù)字串行信號做輸出，不能做AB相增量輸出。我在前面講到AS5047數(shù)字串行輸出的是14位，而AB相輸出1024脈沖的經(jīng)過四倍頻也只是12位，為什么做增量脈沖輸出的少掉了2位？這是因為數(shù)字輸出的可以跳數(shù)可以反序，例如123，67，45，89，到17位時有13萬個數(shù)，你會一格格極為緩慢的轉(zhuǎn)動編碼器去驗證每個數(shù)的順序嗎？也沒有這個條件如此慢并高精度控制轉(zhuǎn)速的去一格格讀它的順序，這樣也就沒人能看出破綻了。但是AB相增量脈沖卻不行，當有跳數(shù)反序，輸出的AB相位差就亂了，讀數(shù)計數(shù)器計數(shù)的累加就是錯的了，這就好比要求南郭先生一個個吹竽無法再濫竽充數(shù)了。記住，必須輸出數(shù)字串行信號，決不能提AB相增量脈沖輸出。
第三個小技巧：叫“補償技術(shù)”，補償是基于重復精度的對單信號周期誤差的補償，是基于單信號品質(zhì)不佳，但雖然有誤差卻仍然有一定的規(guī)律性，對于這樣的誤差規(guī)律性進行補償。磁鐵磁場非線性沒關(guān)系，裝歪了裝斜了都沒關(guān)系，只要在編碼器安裝磁鐵與電路板后的首次通電時轉(zhuǎn)一下，讀取輸出波形并與理想波形對比，用芯片寄存補償。以后還會變嗎？這不是刻舟求劍嗎？沒有關(guān)系，只要出廠一個月是好的就夠了。
第四個小技巧：叫“校準技術(shù)”，基于重復精度的校準。重復精度是在大行程精度不夠的情況下，強調(diào)單信號角度位置每次的重復性。在已經(jīng)細分后的角度值，經(jīng)過與高精度的校準儀器對比，逐點寄存誤差量并修正，這種做法稱之為“校準”。校準是基于單信號周期已有的重復精度，對于大行程偏差的一種修正。
磁編裝好后與一個較高精度的光編軸對軸的轉(zhuǎn)一圈，寄存偏差并校準補回去，保存在磁編芯片了。反正一出廠剛剛校準過的，準啊。以后會不會不準了再回廠校準？就像汽車行駛一段公里數(shù)要保養(yǎng)一次那樣？出廠后誰管它啊。
第五個小技巧：叫“低通濾波”，說白了就是讀取一百次算平均值吧，這個在當初AS5045和TLE5012的廠家都已經(jīng)主動在教我的小技巧了，它可以過濾掉各種噪音與毛刺，沒什么神秘的。這在低速的讀數(shù)眼睛能看到的很穩(wěn)定，沒有跳數(shù)的，用于低速測量。至于輸出刷新速率，還有前面的運動后磁滯損失、校準與補償時間損失，總體結(jié)果大約幾個Hz響應(yīng)吧。如果再有點技巧，在芯片里面設(shè)定一個轉(zhuǎn)速計算，當?shù)退贂r自動增加采樣數(shù)多一點讀數(shù)做平均值。
第六個小技巧：叫臉皮要厚！這樣只是刻舟求劍式的慢速的好看的小技巧有用嗎？很管用！因為用經(jīng)濟型17位編碼器的用戶可能還不太懂磁編，也有可能即使懂了其實也只是買個安慰劑，或者更便于伺服電機的銷售——經(jīng)濟級伺服也用上了高大上的17位絕對值編碼器了，那樣更好賣。這些經(jīng)濟的伺服他們的機械結(jié)構(gòu)精度、他們的減速機精度以及他們的控制器刷新與響應(yīng)速度都還沒有那么高，足夠可以掩蓋一個單對磁極17位磁編的毛刺與假象了。
供稿：@Q裘奮
本文鏈接：http://www.isshing.com/content.aspx?url=rew&id=643
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