智能化升級趨勢下，磁編碼器在電機控制系統(tǒng)中的重要性凸顯

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）電機上的編碼器通過將機械位置轉(zhuǎn)換為電信號，用于檢測電機軸的旋轉(zhuǎn)位置、速度、角度和方向，從而實現(xiàn)對電機的精確控制。一般而言，帶有編碼器的電機具有高精度、高可靠性、實時反饋、優(yōu)化系統(tǒng)性能等優(yōu)勢。

從物理介質(zhì)的不同來分，伺服電機編碼器可以分為光電編碼器和磁電編碼器，另外旋轉(zhuǎn)變壓器也算一種特殊的伺服編碼器。

電機驅(qū)動系統(tǒng)里的編碼器

當(dāng)然，并不是所有的電機驅(qū)動都需要用到編碼器，比如一些中低端的電機驅(qū)動應(yīng)用，采用的是開環(huán)的速度控制，就不需要編碼器。也就是說，開環(huán)控制是沒有電機編碼器反饋系統(tǒng)的控制，由于沒有編碼器，加上控制器成本也低，因此開環(huán)控制系統(tǒng)一般都很便宜。不過，開環(huán)控制也有其缺點，包括精度差、可靠性差、抗干擾能力差等。一般而言，開環(huán)控制受到外部環(huán)境和負(fù)載變化等因素的影響較大，容易導(dǎo)致輸出精度下降，不利于高精度的運動控制任務(wù)?。

閉環(huán)控制會將系統(tǒng)反饋納入控制考慮范圍，因此電機的閉環(huán)控制會考慮電流和位置等電機信號的反饋，也就會應(yīng)用到編碼器。上述提到了電機驅(qū)動編碼器以物理介質(zhì)的分類方式。實際上，分類的方式有很多，比如可以以測量方式來分類，包括增量式編碼、絕對式編碼器和混合式編碼器。例如，如果是增量式的磁電編碼器，就是利用霍爾效應(yīng)將電機的位移轉(zhuǎn)為計數(shù)脈沖，用脈沖來測量速度和位移；如果是增量式的光電編碼器，就是利用光電效應(yīng)將電機的位移轉(zhuǎn)為計數(shù)脈沖，用脈沖來測量速度和位移。

同時，對于各種不同類型的電機，對于編碼器的要求也不太一樣。比如，在交流電機中，電機編碼器用于更精確的速度控制，并且通常需要具有更強大的IP，沖擊和振動參數(shù)；在直流電機中，提供了一種測量轉(zhuǎn)子速度的機制，并為驅(qū)動器提供閉環(huán)反饋，以實現(xiàn)精確的速度控制。

回歸到物理介質(zhì)的分類方式，目前光電編碼器和磁編碼器是應(yīng)用最廣泛的。其中，光電編碼器一般會具有更高的精度和分辨率，因此采用光電編碼器能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的控制。不過，光電編碼器對于光線和灰塵的反應(yīng)也更大，在惡劣的使用環(huán)境中性能容易被影響，這一點磁編碼器就擁有很大的優(yōu)勢，因為磁編碼器的抗干擾能力很強。因此，在工業(yè)控制和機械等環(huán)境非常惡劣且需要更高可靠性的領(lǐng)域，磁編碼器是主流的選擇。

磁編碼器具有體積小、重量輕、工作溫度范圍寬、抗沖擊、抗震、穩(wěn)定性強的優(yōu)點，在機器人、工業(yè)母機和汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，磁編碼器在高精度、高可靠性控制市場上占據(jù)著主導(dǎo)地位，2023年磁性編碼器在整個編碼器市場占比超40%。根據(jù)Yole Group的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2027年全球磁編碼器的市場規(guī)模將增長至23.19億美元，汽車為最核心應(yīng)用場景。在新能源汽車上，磁編碼器主要應(yīng)用在逆變系統(tǒng)、電機冷卻系統(tǒng)和啟動發(fā)電機系統(tǒng)等方面，單車價值量超過500元。

當(dāng)然，越是智能化水平高，需要精準(zhǔn)控制的領(lǐng)域，磁編碼器的價值量越高。比如人形機器人，在特斯拉Optimus機器人的器件清單里，編碼器用量超過了50個，價值量超過了7500元。在人形機器人的關(guān)節(jié)和靈巧手等環(huán)節(jié)，磁編碼器優(yōu)勢明顯。

磁編碼器的供應(yīng)格局

如上所述，磁編碼器使用磁場傳感器來檢測磁性標(biāo)記的位置，通常通過檢測磁性標(biāo)記的位置變化來測量轉(zhuǎn)動或線性位置，通常具有較高的分辨率和精度，并對于環(huán)境條件的變化具有較好的穩(wěn)定性。

據(jù)統(tǒng)計，目前全球磁編碼器供應(yīng)商主要包括Heidenhain、Dynapar、Tamagawa、Baumer、Pepperl+Fuchs、Renishaw、Broadcom、Sensata Technologies和Freudenberg Sealing Technologies等。

其中，德國Heidenhain（海德漢）和日本Tamagawa（多摩川）憑借技術(shù)實力和市場經(jīng)驗，占據(jù)了較大的市場份額。目前，全球TOP 5級別廠商——Heidenhain、Dynapar、Tamagawa、Baumer和Pepperl+Fuchs占據(jù)市場47%的份額。

通過Heidenhain官網(wǎng)能夠看到，該公司為伺服電機控制應(yīng)用提供非常豐富的旋轉(zhuǎn)編碼器和角度編碼器，滿足不同的定位和控制任務(wù)要求。這些編碼器可連接常規(guī)電纜和接頭，也可以連接創(chuàng)新的HMC 6單電纜解決方案，支持EnDat 2接口，或連接HMC 2電纜，支持先進的EnDat 3接口。Heidenhain也面向不同的應(yīng)用去推出編碼器，比如面向力矩電機應(yīng)用，該公司可提供的編碼器包括旋轉(zhuǎn)編碼器和模塊型角度編碼器，專用于大型空心軸電機。

其中，ECM 2400系列便是Heidenhain開發(fā)的應(yīng)用于力矩電機的磁電掃描系列，可配不同尺寸和形狀的柵鼓。內(nèi)徑可達(dá)260 mm，可在編碼器內(nèi)輕松布線電纜，結(jié)構(gòu)緊湊，可安裝在有限空間中。ECM 2400系列支持在連續(xù)負(fù)載和反向負(fù)載情況下進行高軸速運動，甚至可在安裝中使用機械防松保護功能。在高軸速下，不增加編碼器的聲學(xué)工作噪聲。ECM 2410系列角碼器也提供功能安全特性和機械連接防松保護功能。安裝在應(yīng)用中后，可達(dá)SIL 2級安全，最大限度減少故障，實現(xiàn)機床的安全運行。

Tamagawa同樣擁有豐富的編碼器產(chǎn)品系列，包括增量式的、絕對式的，以及適用于單轉(zhuǎn)彎和多轉(zhuǎn)彎場景的。比如，Tamagawa公司SA48系列便是一款絕對式多圈智能編碼器，具有優(yōu)異的耐環(huán)境性，允許在惡劣的環(huán)境中使用，可實現(xiàn)高分辨率/高速跟蹤。SA48系列可支持單轉(zhuǎn)17位和多轉(zhuǎn)16位，總計33位的高精度檢測，支持雙向串行通訊類型和自診斷運行，可用于中小型馬達(dá)、機器人、工程機械和樹脂成型機等領(lǐng)域。

在國內(nèi)廠商方面，賽卓電子、西安中科阿爾法電子科技、燦瑞科技、多維科技、矩陣光電等都可以供應(yīng)磁編碼器，不過產(chǎn)品力和市場認(rèn)可度還和Heidenhain、Tamagawa等公司有很大差距。

結(jié)語

磁編碼器具有體積小、重量輕、工作溫度范圍寬、抗沖擊、抗震、穩(wěn)定性強的優(yōu)點，在工業(yè)控制、機器人和新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，不過當(dāng)前磁編碼器的供應(yīng)依然是以國際廠商為主導(dǎo)，尤其是Heidenhain和Tamagawa的產(chǎn)品在市場上廣受認(rèn)可。