磁性編碼器
磁性編碼器以多極磁體與磁感測器為核心，將旋轉或直線位移轉換為電訊號，具有抗汙、抗粉塵、抗振動、溫度範圍寬、安裝容差大的優勢，是工業自動化、汽車與重載設備、機器人和戶外裝備中的常用位置回授元件。
什麼是磁性編碼器（What is a Magnetic Encoder）
磁性編碼器是一類利用磁場週期性變化來量測位置與速度的感測系統。典型結構由磁體（多極磁環／磁帶／徑向或軸向充磁磁鋼）與讀頭（磁感測晶片與訊號調理電路）組成。讀頭在規定氣隙內感知隨位移變化的正弦／餘弦（sin/cos）訊號，經類比前端與插值／解碼後輸出增量 A/B/Z、正弦／餘弦 1 Vpp（或電流制 11 μApp），或絕對位置（SSI / BiSS / SPI / EnDat 等）。
相較光學編碼器，磁性編碼器環境適應性更強、壽命長、成本更優；但在極限解析度、線性度與細分誤差（SDE）方面通常略遜於高階光學方案。
工作原理（Working Principle）
1) 磁感測技術
- 霍爾（Hall）：成本低、可靠成熟，位置／角度精度中等，溫漂需補償。
- AMR（各向異性磁阻）：靈敏度高於霍爾，抗噪更好。
- GMR／TMR（巨／穿隧磁阻）：靈敏度最高、低雜訊，支援更高解析度與更小氣隙；TMR 溫漂更低但成本較高。
- 差分檢測：同相／反相通道抵消外界雜散磁與共模溫漂，提升抗干擾能力。
2) 訊號形成與角度解算
- 磁體沿圓周或直線呈 N/S 交替極化形成週期磁場，讀頭獲得近似 sin/cos 兩路訊號；角度解算可按：
theta = atan2(V_sin, V_cos) - 以數位插值或鎖相迴路（PLL）細分角度或位移；絕對式藉由多圈／單圈編碼、冗餘計數或協定訊框輸出唯一碼。
3) 速度與頻率關係（純文字公式）
- 旋轉：
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - 線性：
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
（其中 RPM 為轉速，pole_pairs 為磁極對數，edges_per_cycle 為每電週期有效邊緣數；v 為線速度，p 為磁帶極距）
分類（Classification）
- 按運動形式：旋轉編碼器（環形／徑向磁鋼，同軸／偏軸 on-axis/off-axis）／線性編碼器（多極磁帶／磁柵）。
- 按輸出：增量式（A/B/Z、TTL/HTL/RS422；正弦／餘弦 1 Vpp、11 μApp）／絕對式（SSI、BiSS-C、SPI、EnDat；可經閘道轉 CANopen／EtherCAT 等）。
- 按磁體：多極磁環（內外徑裝配、極距固定）、徑向／軸向充磁磁鋼（低極對、體積小）、柔性磁帶（長行程、易安裝）。
- 按感測晶片：單晶片角度感測（整合 AFE + CORDIC/SIN/COS）／分立式 AFE + ADC + MCU/FPGA 插值編碼。
輸出與介面（Outputs & Interfaces）
| 類別 | 訊號樣式 | 典型情境 |
|---|---|---|
| 增量方波 | A/B（+Z），TTL/HTL/RS422 | PLC 高速計數、速度環／位置環 |
| 正弦／餘弦 | 1 Vpp、11 μApp | 高解析插值、低 SDE 應用 |
| 絕對序列 | SSI、BiSS-C、SPI、EnDat 2.2 | 絕對位置、多圈計數、診斷 |
| 匯流排／工業乙太網 | CANopen、EtherCAT、PROFINET（經介面模組） | 多軸同步、遠距與線上診斷 |
關鍵參數（Key Specifications）
| 指標 | 典型範圍／說明 |
|---|---|
| 解析度 | 旋轉：12–18 bit（Hall/AMR），18–20+ bit（GMR/TMR 與插值）；線性：本體 5–50 μm 柵距，插值至 1–5 μm，優質可達亞微米 |
| 角度精度 | 旋轉絕對：±0.05° ~ ±0.5°（取決於磁體與偏心） |
| 重複性／抖動 | 重複性優於 ±0.05°；抖動隨 SNR 與插值時脈而變 |
| 細分誤差（SDE） | 通常優於 ±0.1°（高階 ≤ ±0.03°）；線性型以 μm 計 |
| 磁氣隙 | 0.5–2.5 mm（視磁體能級與感測陣列而定） |
| 極距／極對 | 磁環常見 2–64 極對；磁帶極距 2–5 mm 常見 |
| 最大速度 | 機械轉速可達 >10,000 RPM；線性 >3 m/s（依介面） |
| 溫度範圍 | −40 °C ~ +125/150 °C（車規等級），需溫漂補償 |
| 抗汙／防護 | IP50–IP67；對油霧、粉塵、冷卻液友善 |
| EMC/ESD | 滿足工業／車用 EMC 要求，差分與遮蔽設計關鍵 |
註： 實際性能受磁體材質與充磁品質、偏心／傾角、氣隙、遮蔽與演算法補償共同影響。
磁體與機械設計（Magnet & Mechanics）
- 磁材選擇：NdFeB（高能積，易退磁需溫控）、SmCo（高溫穩定，成本高）、鐵氧體（成本低、體積大）。
- 充磁方式：徑向／軸向充磁或多極環形充磁；極距均勻性直接影響線性與諧波誤差。
- 幾何誤差：偏心（runout）會引入一次／二次諧波角誤差；傾角／跳動導致幅相不平衡與失真。
- 氣隙公差：過大導致幅值衰減與 SNR 下降；過小易擦碰與溫漂失配。
- 抗雜散磁：差分結構、磁通集中或遮蔽環設計，遠離強電機定子齒諧波；必要時評估雜散磁場抗擾能力（Stray-field Immunity）。
誤差與補償（Error Sources & Compensation）
- 幅相失衡／橢圓誤差：用自動增益（AGC）、相位均衡與橢圓補償降低 SDE。
- 溫度漂移：對感測器溫度係數、磁體剩磁隨溫變化建模；線上溫度採樣修正。
- 偏心／極距誤差：出廠 LUT 線性化或系統在位標定（多點擬合／諧波補償）。
- 雜散磁／EMI：差分佈線、RS422 傳輸、遮蔽與單點接地；必要時加軟鐵遮蔽。
- 多圈計數：斷電保持可選能量收集／齒輪／FRAM/NVRAM 記圈與冗餘一致性校驗。
與其他技術對比（Comparisons）
| 技術 | 解析度／精度 | 環境適應 | 成本 | 典型應用 |
|---|---|---|---|---|
| 磁性編碼器 | ★★★☆（可至 18–20+ bit） | ★★★★★ | ★★☆ | 工業／車用、惡劣環境、長壽命 |
| 光學編碼器 | ★★★★★（nm／arcsec 級） | ★★☆ | ★★★★ | 精密機床、計量、半導體平台 |
| 電感編碼器 | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | 高溫／強 EMI、重載機械 |
| 旋變（Resolver） | ★★☆（類比解調） | ★★★★★ | ★★★ | 高振動／高溫的電機回授 |
| 電位計 | ★ | ★★ | ★ | 低成本、壽命短／低精度場合 |
應用（Applications）
- 工業自動化：輸送與重載機構、伺服／步進混合系統、電梯與港機。
- 汽車／交通：電機換相與位置、轉向與踏板、底盤與座椅位置（ISO 26262 環境）。
- 機器人與協作臂：關節角度、AGV/AMR 車輪編碼器、戶外移動平台。
- 再生能源與戶外裝備：風光追蹤、閥門與致動器、礦業與建築機械。
安裝與整合要點（Installation & Integration）
- 對中／同軸度：旋轉型優先使用定位肩／治具，控制徑向跳動與端面跳動；線性型確保磁帶直線度與載體穩定。
- 氣隙設定：依據資料手冊在全溫範圍留餘量；驗證最小 SNR 與最大速度時的幅值裕度。
- 佈線與端接：優先差分 RS422 或電流制；阻抗匹配、遮蔽與單點接地，避免環路。
- 協定參數：SSI/BiSS/SPI/EnDat 的訊框長度、CRC、時序、警報位需與控制器一致。
- 冗餘與安全：關鍵軸採雙通道／雙感測與一致性監控（SIL/PL 或 ASIL 設計）。
標準與法規遵循（Standards & Compliance）
- IEC 60529（IP 防護）／IEC 60068-2（振動／衝擊／高低溫／濕熱）
- IEC 61000-6-2 / 6-4（工業 EMC 免疫／發射），ISO 7637（車載瞬變）
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262（機械／驅動／車用功能安全）
- AEC-Q100/Q200（車規器件級可靠性，適用於感測晶片／無源件）
實際遵循項目視產業與專案要求裁剪。
選型指南（Selection Guide）
- 目標精度：角度精度／線性度、解析度、SDE 與抖動目標。
- 感測技術：Hall（成本優先）／AMR／GMR／TMR（解析度與溫漂優先）。
- 磁體方案：多極環／磁帶／單磁鋼；極距與尺寸、材質與溫度等級。
- 輸出介面：增量／正弦或 SSI/BiSS/SPI/EnDat；是否需匯流排閘道與線上診斷。
- 環境與壽命：IP 等級、溫度／油霧／粉塵、抗雜散磁；車用或戶外需車規／耐久。
- 機械與氣隙：允許對中誤差、氣隙視窗、轉速上限；裝配治具與批量一致性。
- 補償與校準：是否支援溫度／諧波／線性化 LUT；出廠或在位標定策略。
- 安全與冗餘：功能安全等級、失效安全（fail-safe）與故障監測介面。
參考與術語（Glossary）
- 極距／極對（pole pitch/pairs）：磁場一個 N-S 週期的空間長度／成對數量。
- SDE（Sub-Division Error）：細分誤差；插值後殘留的週期性誤差。
- Stray-field Immunity：對外界雜散磁場的抗擾能力。
- CTE：熱膨脹係數；影響磁體與機械件的熱漂配合。
總結：掌握磁性編碼器的感測原理、磁體與機械設計、介面與補償策略，並結合目標精度與工況做出正確選型，可在惡劣環境中實現高可靠、長壽命、可診斷的運動控制與位置回授。
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