編碼器常用來測量
伺服電機系統的轉角和轉速等相關數據。目前市場上使用的主要有光學編碼器和磁編碼器兩種。與前者相比，磁編碼器由于不受污垢、粉塵、油污、冷凝以及其他污染物的影響，近年來得到了市場上越來越多的關注。采用先進設計的磁編碼器技術可提供與光學編碼器媲美的精度（分辨率），并可在提高系統效率的同時大幅降低生產成本。
1. 引言
在工業自動化領域，以編碼器為代表的速度位置傳感器正發揮越來越重要的作用。其中，光學編碼器因其反應時間快、精密度高而受到大量用戶的青睞。然而，這種利用光電信號輸出脈沖的設備裝置極易受到震動、粉塵、潮濕、溫差等環境因素的干擾，從而影響信號輸出以及自身的使用壽命。與光學編碼器相比，利用磁場和霍爾感應產生信號的磁編碼器，對環境適應性更強，系統集成芯片的反饋也更為精確。明顯的價值優勢使其在高精度測量和控制領域的相關應用中嶄露頭角。
2. 限制重重的同軸編碼器
磁編碼器通常采用兩種不同的設計。目前，市場上仍以同軸式磁編碼器為主流產品。
同軸磁編碼器將單對極稀土磁鐵安裝在旋轉軸軸端，利用4-8個霍爾元件形成環形列陣進行感應。相對的兩個霍爾傳感器以差分放大器連接，每旋轉一周便產生一個周期的正余弦信號，通過轉換（往往通過DSP芯片運算）為正交或串行位置輸入信號。
同軸磁編碼器的檢測方式成本較低，但對設備安裝提出了高要求。磁鐵的南北磁極中點、芯片中心和電機軸端中心必須保持在同一直線上，因為任何安裝上的錯誤都會降低編碼器的準確性。但在實際應用中，不僅電機軸的徑向抖動無法避免，芯片和磁鐵的相對位移造成的偏差也會影響實際輸出信號的精準度。另外，同軸設計需要從1個周期內插到最終分辨率的高倍率內插，一旦轉速超過一定范圍就無法準確讀取逐點的位置信息，從而導致實際輸出的準確性降低。出于上述原因，同軸式磁
編碼器長期以來一直集中在相對較低端的應用領域。
離軸式磁編碼器
3. 開創突破性離軸設計
隨著技術的不斷革新，磁編碼器如今已在很大程度上擁有堪比光學編碼器的性能，特別是具有突破性意義的離軸設計的出現，為磁編碼器在更廣闊的應用領域創造了一展身手的機會。作為這一領域的佼佼者，鐵姆肯公司的Timken?離軸式磁編碼器為實際應用解決了例如校準等難題。
Timken?離軸式磁編碼器采用多磁對極碼盤，芯片安裝位置偏離旋轉軸中心。在運行過程中，每一對極都會產生一個周期的正余弦信號，并通過硬件內插器轉換成正交或者串行位置信號。當電機軸旋轉起來后，芯片內部霍爾元件在徑向范圍內感應到的磁場強度保持不變，電機軸的徑向抖動（只要在霍爾感應磁場的徑向范圍內）也不會影響霍爾感應輸出信號的精準度。因此，只要在實際安裝過程中確保芯片位置和徑向安裝距離（跟磁對極間距有關），就能確保輸出信號的準確性。
圖2：4%誤差的內插器
離軸式磁編碼器的精度提高，還與其碼盤直徑和磁對極數的改變有關。在機械增益效果下，同軸編碼器直徑越小磁極誤差越大，而離軸編碼器直徑越大磁極誤差越小。如圖2所示的內插器精度增益方面，同軸設計直接顯示為1：1，而離軸式誤差以磁對極倍數減少。如果離軸式設計含32對極，只需從每對極得到分辨率為1/32的低倍率內插即可，相比之下同軸設計則需要從整個周期內插到最終分辨率的高倍率內插。
另外，同軸式編碼器通常以DSP芯片內插處理正余弦信號，雖然倍數較高但往往需要更長的響應時間。離軸式編碼器只需低倍率的硬件內插器即可，即使在主軸轉速超過10000rpm的情況下也能正常工作，穩定性堪稱一流。
同軸式與離軸式編碼器在徑向和公差范圍內的全面測試結果圖3所示。實驗對比了來自不同廠家的三種同軸式編碼器，結果顯示Timken?離軸編碼器的誤差明顯小于這三種同軸式編碼器。而在安裝過程中芯片未得到正確放置的情況下，離軸編碼器的誤差也比同軸式更小。
圖3：誤差的測量結果
Timken?離軸式磁性編碼可以實現主流光學增量編碼器0-5000脈沖/圈甚至更高的分辨率。憑借專利的充磁磁場檢測處理技術，鐵姆肯公司能夠根據客戶要求，靈活設計和生產在0.8mm-4mm范圍內不同規格磁間距的碼盤，再配合芯片感應滿足各種實際應用需求。
4. 輕松應對惡劣工況
光學編碼器碼盤普遍采用金屬、玻璃、塑料等材質。在實際安裝中，碼盤與光敏電阻的距離極小，任何軸向竄動都可能損壞編碼器。例如在紡織行業，劍桿織機的震動使得電機軸始終處于晃動狀態，而導致光學編碼器的使用壽命明顯縮短。頻繁的更換不僅對提高系統效率無益，還會帶來極大的成本壓力。同時，受光電傳感技術的限制，生產過程中的粉塵、織物碎屑極易污染光源發射，造成光學編碼器在惡劣環境中適應力較差。而磁編碼器不依靠光源，磁對極產生的磁場不受污染物影響，碼盤極其堅固，因而使用壽命往往是光學編碼器的數倍。此外，由于具有抗振動、耐腐蝕、抗污染、抗干擾和寬溫度等特性，磁編碼器可應用于眾多傳統光學編碼器不能適應的領域。
目前，在國外市場，鐵姆肯公司Timken?離軸式磁編碼器已成功應用于閉環步進系統和汽車EPS轉向系統等領域；在國內，注塑機、木工雕刻機、紡織機械、防水電機等對環境要求較為嚴苛的工業領域都是磁編碼器的應用范圍。包括高速公路ETC自動欄桿機、動感影院、旋轉舞臺、移動噴泉、
電動叉車等對位置控制有要求的通用領域，以及長期暴露在溫差較大環境下的場合也非常適用離軸式磁編碼器。
5. 可觀的成本效益
在惡劣工況下，光學編碼器為避免污染必須進行封裝，而分體式的磁編碼器不含軸承、電路板、支架等配件，可為用戶減少封裝成本。另外，普通的光學編碼器安裝空間至少為30-40mm，而離軸式磁編碼器在完成安裝后，僅占約12-14mm空間，通過更加緊湊的結構進一步轉換為可觀的成本效益。
近年來，全球磁編碼器市場正在逐步擴大。根據《中國儀器十二五規劃》，到2020年，僅增量型編碼器的產業規模就將達到500億元。不斷擴大的市場容量也預示著磁編碼器尤其是離軸式磁編碼器巨大的發展潛力。憑借可靠的磁編技術、極強的環境適用性和明顯的成本優勢，離軸磁編碼器將進入越來越多應用領域，作為光學編碼器的一項補充技術，為客戶帶來更豐富和更明確的產品選擇。
