在2021年8月的文章《磁阻传感器与霍尔传感器有什么区别？》中，我提到了磁栅编码器，那篇文章中，我主要讲了磁编码器系统中的磁传感器。
本来想一鼓作气把磁编码器讲了，但是我发现需要更深入地理解磁，才能理解磁编码器。
时过3年，通过学习，我们对“磁”有了更多的理解。
比如：
什么是磁力？磁性从何而来？为什么有些材料表现出磁性而另一些则没有？
什么是磁场？通电导线和螺线管磁场是怎样的？如何测量？螺线管有哪些典型应用？
没有钕铁硼，LK-99晶体无法磁悬浮：一文全面了解钕铁硼、钐钴、铝镍钴、铁氧体等永磁铁！
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不锈钢有磁性吗？
所以今天，我再来聊聊磁编码器。
01
如之前所说，光学编码器通过光电探测器检测周期变化或者按特定规律变化的光信号来表针位移。
光学编码器的基本原理示意图：通过光探测器探测穿过码盘的周期光信号数目或特征，来表示两者的相对移动。
那么磁编码器是如何工作的？
类似于光学编码器，磁编码器通过磁传感器探测磁体相对其移动。
其实，磁编码器通过检测磁场的变化来测量旋转或线性位移，工作原理简单而有效。
磁编码器组成。
它的核心组件是一个磁环或磁条，上面均匀分布着北极和南极的磁场。随着编码器的轴旋转，磁场随之移动。编码器内部的传感器阵列，如霍尔效应传感器或磁阻传感器，能够感应到这些磁场的变化。
磁编码器工作原理示意图。
当磁环旋转时，传感器阵列感应到不同位置的磁场强度，并产生相应的电信号，这些信号最初是正弦波或余弦波。
为了生成A和B两个正交的方波信号，编码器内部通常有两组传感器，这两组传感器的位置略有错开，通常相差90度电角度。因为这两个传感器的位置错开，所以它们生成的A和B信号有一个90度的相位差。
经过信号处理电路，这些正弦波被转化为方波信号，形成A和B正交信号。通过观察A和B信号的变化顺序，系统能够判断旋转的方向：如果A信号领先于B信号，表示顺时针旋转；如果B信号领先，表示逆时针旋转。同时，通过累加A和B信号的脉冲，系统可以精确地计算出旋转的总角度。
此外，磁环上还有一个特殊的磁场配置。当传感器检测到这个独特的磁场变化时，编码器会生成一个Z索引信号。这个信号是一个短暂的脉冲，每旋转一圈只出现一次，用来标记旋转的零位或起始位置。Z索引信号对于系统非常重要，它提供了一个稳定的基准点，使得系统可以在需要时重新定位，确保精确控制。
通过这种方式，磁编码器不仅能够以高精度和高可靠性提供位置、角度和速度信息，还能在复杂环境下保持良好的性能，是工业自动化、机器人、汽车电子等领域中的关键检测装置。
磁编码器应用举例。
比如AS5045ASSU（Austria Micro System）旋转轴编码器，是一款16pin SSOP芯片，尺寸仅有5.3mm x 6.2mm，配合磁铁做旋转运动检测。该磁传感器是12位绝对式编码器，分辨率为0.0879°，输出SSI或者PWM。为了测量角度，只需要一个简单的两极磁铁，在芯片中心旋转，磁铁可以放置在 IC 上方或下方，与磁铁间隙2mm。磁铁可以做成2.5mm厚，直径6mm，即可实现绝对位置测量，通过编程确定零位。这样的传感器和磁体组合应用，非常小巧，很省空间。
再比如BOGEN Electronic的线性磁栅LMS-L1-W10-A20-K，搭配AMS的磁编码器AS5311及AUSTRIA Micro Systemd的AS5311-ATST配合使用，可以实现线性位移测量和反馈。
磁编码器的好处是耐脏污，振动和湿度，这恰恰是光学编码器的劣势，当然精度肯定还是光学编码器更高。
02
那么磁编码器的精度就一定不如光学编码器吗？
当然不是。
其实有方法可以提高磁编码器的检测精度。
在磁编码器中，双轨或三轨磁化是一种用于提高分辨率和精度的设计技术。
多轨磁编码器示意图。
单轨磁化指的是磁编码器中仅使用一条磁化轨道，通常是一个磁性环或条带，这条轨道上分布有均匀的北极和南极磁场区域。传感器读取这些磁场的变化来确定位置。
单轨磁化的优点是结构简单，制造成本较低。适用于精度要求不高的应用场合。缺点是分辨率和精度受限，尤其是在高精度应用中。
在双轨磁化设计中，磁编码器使用两条平行的磁化轨道，每条轨道的极性模式不同。一条轨道提供粗略的位置数据，另一条轨道提供细致的调整数据。通过组合两条轨道的信息，编码器可以显著提高分辨率和精度，同时可以增强抗干扰能力，有效降低外界磁场对位置检测的影响。
三轨磁化设计进一步增加了一条磁化轨道。这第三条轨道通常用来提供额外的细化信号，进一步提高系统的分辨率和精度。每条轨道可能使用不同的周期或模式的磁场排列。
三轨编码器可以获得更高的位置精度，适合高精度要求的应用，如高端工业自动化、精密仪器等。同时三条轨道提高系统冗余性，在某些应用中可以提高系统的可靠性。当然三轨系统更为复杂，制造和校准成本也较高。
通过这些多轨道的设计，磁编码器能够在不显著增加尺寸的情况下，提高其在苛刻环境中的性能和可靠性。总之，在磁编码器中，双轨和三轨系统是为了提高测量的精度和分辨率而设计的，尤其适用于高精度应用。
03
磁性编码器具有检测磁场变化的机构，因此具有在灰尘、油污、水等污染环境下也具有稳定性的优秀优点。因此，适合在灰尘、油污、水多的环境下使用。例如，在棉绒多的环境下使用的工业缝纫机、在切削油、水溅出的环境中使用的机床等都使用磁性编码器。
另一个优点是，可以用旋转角度传感器IC和永久磁铁的非常简单的结构制造输出绝对角度的编码器。因此，它适用于需要小尺寸、轻量和高可靠性的应用。例如，它用于使用小直径电机的机床和需要耐用性的工厂自动化机器。
一般情况下，光学编码器用于要求高精度和高分辨率的场合，磁性编码器用于重视环境适应性、小型化、高可靠性的场合。但是，由于最新的磁性编码器提高了精度和高分辨率，并且能够对应中空贯通轴，因此磁性编码器开始在光学编码器占据的市场中占据一席之地。
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