磁性材料从原理到应用，一文解锁人形机器人之编码器

作为一种能对旋转角度、线性位移及速度等运动参数进行编码的传感器，编码器的核心功能是将机械运动转化为电信号并输出。它凭借高精度、高分辨率、快速响应等显著优势，在工业自动化、汽车制造、机器人技术、医疗设备、航空航天、机床等对位置测量精度有极高要求的众多领域中，都有着广泛的应用。

在人形机器人领域，编码器所提供的数据反馈，对于实现机器人运动的精密控制和精准定位来说，起着至关重要的作用。它主要用于监测和控制机器人关节的运动位置，以此保证运动控制与定位的精确性。具体而言，旋转关节通常需要配备两个编码器，这样才能确保运动的准确度和稳定性；而线性关节和灵巧手，只需要一个编码器就足够了。

编码器一般会与电机相连，其主要作用是检测电机的运行状态，并将所获取的信号反馈给驱动器。驱动器会对这些反馈信号进行汇总、分析和修正，进而精确地控制执行机构的位置、速度、转矩等输出变量，最终实现闭环控制。

伺服系统的基本构成包括上位机、电机、编码器、驱动器、控制器等部分。从成本构成角度分析，驱动器的成本在整个伺服系统成本中占比42%，电机成本占比约为35%，编码器成本占比则约为11%。

当伺服驱动器接收到上位机发送的信号后，会将其转换为能够控制电机电流的功率信号，从而驱动电机正常工作。而编码器作为核心传感器，会把电机旋转的角度和速度实时反馈给驱动器，驱动器根据这些反馈信号，确保电机能够稳定且良好地输出性能，形成一个闭环控制，以此保证电机的位置、转向、转速都能符合预设的要求。

图：伺服系统工作原理示意图

来源：伟创电气招股书

总体而言，编码器可以按照不同的标准进行种类划分。按照测量类型来分，可分为直线/线性编码器和旋转编码器；按照输出信号来分，可分为增量式编码器和绝对式编码器；按照技术原理来分，则可分为磁编码器、光编码器和电感编码器。

1. 按测量类型划分：直线/线性编码器、旋转编码器

直线/线性编码器的功能是测量物体的直线位移，而旋转编码器则用于测量物体的旋转角度。

直线/线性编码器是一种专门用于测量物体直线运动的装置，它能够把物体的线性移动转化为电信号并输出。该装置通常由传感器和标尺组成，标尺会被固定在物体上，传感器则负责测量标尺上的位置信息。它主要应用于机械加工、数控机床、3D打印、半导体制造等领域，其中光栅尺是这类编码器的典型代表。

旋转编码器是用于测量旋转轴角度、速度和位置的传感器，它可以直接安装在物体上，从而对物体的旋转运动进行测量。在自动化控制系统、机器人、航空航天、汽车、医疗设备等领域，都能看到它的广泛应用。

2. 按输出信号划分：绝对式编码器和增量式编码器

绝对式编码器是一种位置传感器，它能够提供设备在绝对坐标系中的位置信息。其工作原理通常涉及一个码盘（也可称为光栅盘），码盘上刻有一系列按照特定模式排列的编码线或槽，并且每个位置的编码线组合都是独一无二的。码盘与编码器的读头相对应，读头中包含光电传感器或其他类型的传感器，其作用是检测码盘上的编码信息。

和增量式编码器不同的是，绝对式编码器不需要依靠参考点或复位信号来确定位置，这是因为每个位置都有唯一对应的编码。

绝对式旋转编码器

资料来源：AKM 官网

增量式编码器属于位置和速度传感器的一种，它所提供的是相对于某个初始位置或上一个测量点的位置变化信息。它不会存储绝对位置信息，而是通过对脉冲进行计数来跟踪位置的变化。增量式编码器内部通常设有一个码盘，该码盘与编码器的读头相对应，读头中的光电传感器或其他类型的传感器，用于检测码盘上的光栅线。当码盘发生旋转或移动时，传感器就会检测到由光栅线产生的脉冲信号。

增量式旋转编码器

资料来源：AKM 官网

总的来说，增量式编码器比较适合应用在对成本较为敏感，且对绝对位置精度要求不高的场景中；而绝对式编码器则更适用于需要高精度、高可靠性和操作简便的应用场景。在选择编码器时，需要结合具体的应用需求、预算以及系统设计等多方面因素进行综合判断。

3. 按技术原理划分：磁编码器、光编码器以及电感编码器

磁编码器运用电磁感应原理，将物理信号转换为数字信号，进而实现对位置和角度的测量。它由磁性传感器、磁环和信号处理器构成。与传统的光电编码器不同，磁编码器不依赖光学原理，而是通过感应磁场的变化来确定位置信息。其工作原理是基于磁感应元件对磁场变化的响应，当码盘旋转或移动时，磁场的分布会随之发生改变，磁敏传感器检测到这些变化后，会将其转换为电信号，通过对这些信号的序列和时间进行分析，就能确定码盘的位置和移动速度。

光感编码器，通常也被称为光电编码器，它是利用光学原理来测量位置和速度的传感器。该编码器由发光元件、光敏元件及码盘（一个刻有规则透光和不透光线条的圆盘）组成，能够将机械位置转换为电信号，常用于精确的位置反馈和速度控制。当光栅盘旋转或移动时，光栅图案会周期性地对光源发出的光起到阻断和允许通过的作用，使光能够到达光电传感器，这些变化被传感器检测到后，会转换为电脉冲信号，通过计算单位时间内产生的脉冲数量，就可以确定位置的变化和速度。

电感式编码器是利用电感原理来测量位置和速度的传感器，它通过检测磁场的变化来确定物体的位置和移动速度。其工作原理基于法拉第电磁感应定律，即当磁场中的导体发生相对移动时，会在导体中产生电动势。在电感式编码器中，码盘上的磁性材料与感应头中的线圈相互作用，会产生变化的磁场，当码盘旋转或移动时，磁场的变化会在线圈中产生感应电流，并且该电流会随着码盘位置的变化而变化。电子电路检测到这些电流变化后，会将其转换为脉冲信号或模拟信号，从而提供位置和速度信息。其中，脉冲信号的频率与码盘的旋转速度成正比，脉冲的数量则与旋转的总角度相关。

资料来源：步科股份，CUI Devices，瑞典莱纳林德产品介绍

总体来看，光学编码器的优势在于分辨率和准确度较高，但它的码盘在灰尘、油污环境中容易受到污染，进而影响其可靠性和精度；磁编码器在精度和分辨率方面不如光学编码器，但由于其感应原理为非接触式（通过测量磁场变化进行感应），所以不易受到恶劣环境的影响，具有更耐用、抗振和抗冲击的特点；电感式编码器的精度和分辨率都比较高，并且能够耐受灰尘、油污，不过它对磁铁的距离和方向非常敏感，稍有偏离就很容易造成测量误差。

目前将重点放在智能电动汽车、人形机器人领域，所以本章节主要围绕这两个应用场景进行介绍。

1. 人形机器人

特斯拉BOT的运动控制模块主要由直线执行模组、旋转执行模组和灵巧手组成，编码器在其中的作用是测量关节角度和位置，以确保BOT能够实现精确且稳定的运动。

旋转执行模组共有14个，每个模组都包含无框力矩电机、谐波减速器、双编码器、力矩传感器以及轴承，这些部件共同作用，为BOT提供了精准的旋转控制能力。直线执行模组同样有14个，每个模组包含无框力矩电机、行星滚柱丝杠、编码器、力传感器以及轴承，这些零部件相互配合、协同工作，使BOT能够完成精准的运动。灵巧手所使用的空心杯电机模组，由空心杯电机、减速器和编码器构成，这使得BOT的手部能够实现高度敏感且灵活的运动，为完成复杂的抓取和操作任务打下了坚实的基础。

磁式编码器由于具有体积小、重量轻、工作温度范围宽、抗冲击、抗震、稳定性强等优点，在人形机器人领域得到了广泛的应用。

资料来源：Tesla AI Day 2022

2. 汽车

磁编码器在汽车中的应用十分广泛，它借助磁场变化来精确测量角度和位置，对提升汽车的性能和安全性起到了重要作用。无论是燃油车还是电动车，都在使用精度高、可靠性和耐用性强的磁编码器。根据Yole对整体磁传感器下游行业的统计和预测，汽车应用在整体市场中的占比已经超过了50%。随着汽车朝着电动化、智能化的方向发展，磁编码器的应用范围预计还会进一步扩大。

以下为磁编码器在汽车中的一些具体应用：

• 传动系统控制：对传动轴的转速和位置进行监测，从而实现平稳换挡，并提供所需的动力输出。

• 发动机管理系统：测量发动机曲轴或凸轮轴的位置和速度，用于燃油喷射、点火定时和可变气门正时系统。

• 防抱死制动系统（ABS）：监测车轮的转速变化，助力实现ABS和电子稳定控制（ESC）等关键功能。

• 转向系统：测量方向盘的转角，应用于电动助力转向系统（EPS）和车道保持辅助系统。

• 悬挂系统：对悬挂系统的调整进行控制，提供适应性或主动悬挂控制。

• 电池管理系统（BMS）：在新能源汽车中，用于对电池系统的充电状态和健康状态进行监测。

• 车载充电系统（OBC）：监测充电过程中的电流和电压变化，保障充电的安全和效率。

• 直流变换系统（DCDC）：对电压转换过程进行监测和控制，为汽车电子设备提供稳定的电源。

• 启动发电机系统：监测启动发电机的工作状态，提高启动性能和发电机效率。

• 油门控制系统：测量油门踏板的位置，用于电子油门控制系统，提高油门的响应速度和燃油效率。

• 车辆仪表和驾驶信息反馈：测量车速和其他关键参数，为驾驶员提供准确的车辆状态信息。

• 新能源汽车电机控制：在电动汽车和混合动力汽车中，应用于电机控制系统，提高电机效率和整车性能。

• 安全监测：用于对车辆的安全相关部件进行监测，如安全带张紧器和气囊部署系统。

新能源汽车三电系统

资料来源：臭皮匠试验室

随着工业自动化、智能制造和物联网技术的快速发展，全球编码器市场正处于不断扩大的态势。编码器作为运动控制领域的关键组件，其作用是不可替代的，尤其是在实现精准定位、测量和反馈等方面。

从技术原理方面来看，磁编码器在市场中占据着主导地位；从产品类型方面来看，旋转编码器的市场需求要高于直线编码器。

日欧的编码器厂商在全球编码器市场中占据着主导地位，这主要是因为他们在技术实力、研发能力以及长期积累的经验方面具有优势。这些厂商能够提供高质量且具有创新性的产品，在市场上享有广泛的声誉，日系的多摩川和欧系的海德汉等就是典型的代表企业。

随着中国制造业的升级换代以及科技的不断创新，再加上新能源汽车、人形机器人等新兴产业的发展，编码器的应用范围正在不断拓宽。在降本增效的大背景下，同时在国家政策鼓励科技创新和产业升级的环境中，国产编码器厂商的自制比例有提升的空间，国产替代进程正在加快，这也为国内企业带来了更多的市场份额。

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