磁編碼器是一種基于磁場變化的非接觸式傳感器，以其高精度、高分辨率和快速響應(yīng)能力，在工業(yè)自動化和機(jī)器人控制等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和政策推動，磁編碼器市場應(yīng)用空間不斷擴(kuò)大。2023年，中國磁編碼器市場銷售額為129億元人民幣，預(yù)計到2025年市場規(guī)模將增至174億元人民幣。中國的匯川技術(shù)、禾川技術(shù)和宇智動力等，通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研合作，推動磁編碼器技術(shù)的發(fā)展，部分產(chǎn)品已達(dá)到國際水平。
一
磁場效應(yīng)實現(xiàn)高精度測量
磁編碼器是一種基于磁場變化的非接觸式傳感器，用于精確檢測旋轉(zhuǎn)位置和角度。它具備高精度、高分辨率、快速響應(yīng)的特點，且能在高溫、潮濕等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，抗電磁干擾強(qiáng)，安裝簡便，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化和機(jī)器人控制等領(lǐng)域。
磁編碼器的定義。磁編碼器是一種基于磁場變化原理設(shè)計的傳感器，用于檢測和記錄旋轉(zhuǎn)物體的位置和角度。其核心組件通常包括一個永久磁鐵和多個磁傳感器，通過感應(yīng)磁場的變化來獲取精確的位置信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號輸出。磁編碼器能夠提供高分辨率和高精度的測量結(jié)果，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化系統(tǒng)、機(jī)器人控制、數(shù)控機(jī)床以及其他需要精確位置反饋的設(shè)備中。
磁編碼器的優(yōu)勢。磁編碼器作為一種非接觸式傳感器，具有顯著的優(yōu)勢。首先，它具備優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)能力，能夠在高溫、高濕、塵埃多以及強(qiáng)振動等惡劣條件下穩(wěn)定工作，且由于無需物理接觸，避免了磨損問題，延長了使用壽命。其次，磁編碼器提供高精度和高分辨率的位置信息，響應(yīng)速度快，適用于需要快速反饋的應(yīng)用場景。此外，其抗電磁干擾能力強(qiáng)，確保在復(fù)雜電磁環(huán)境中依然能夠準(zhǔn)確測量。安裝簡便也是其一大優(yōu)點，使得在各種自動化設(shè)備中的集成更加方便。
磁編碼器由磁體、傳感器和信號處理電路三部分組成，其中磁體負(fù)責(zé)產(chǎn)生穩(wěn)定磁場，傳感器陣列（霍爾效應(yīng)或磁阻傳感器）檢測磁場變化并轉(zhuǎn)換為電信號，信號處理電路將這些信號轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可用的格式。
磁體的核心作用與設(shè)計要點。磁編碼器的磁體部分是其關(guān)鍵組件之一，通常由一個或多個永磁體組成。這些永磁體安裝在旋轉(zhuǎn)軸的頂端或特定位置，負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的磁場。當(dāng)編碼器軸旋轉(zhuǎn)時，磁場隨之發(fā)生變化，磁編碼器通過感知這些磁場變化來精確計算旋轉(zhuǎn)位置。磁體部分的設(shè)計對于編碼器的精度和可靠性至關(guān)重要，因為磁場的穩(wěn)定性直接決定了編碼器測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和性能表現(xiàn)。
傳感器的設(shè)計與信號檢測原理。磁編碼器的傳感器部分負(fù)責(zé)檢測磁體產(chǎn)生的磁場變化，通常采用霍爾效應(yīng)傳感器或磁阻傳感器。這些傳感器陣列被布置在磁體周圍，能夠感知磁場隨旋轉(zhuǎn)位置變化而產(chǎn)生的不同強(qiáng)度，并將這些變化轉(zhuǎn)換為電信號。隨著磁體的旋轉(zhuǎn)，傳感器輸出的信號最初呈正弦波或余弦波。為了生成A和B兩個相互正交的方波信號，編碼器內(nèi)部設(shè)計了兩組位置相差90度電角度的傳感器陣列。這種巧妙的設(shè)計不僅能精確判斷旋轉(zhuǎn)方向，還能準(zhǔn)確計算旋轉(zhuǎn)的總角度，確保編碼器的測量精度與可靠性。
信號處理電路的功能與轉(zhuǎn)換機(jī)制。磁編碼器的信號處理電路負(fù)責(zé)將傳感器檢測到的電信號進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換為適合控制系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)格式。傳感器輸出的原始信號通常為正弦波或余弦波，經(jīng)過信號處理電路后被轉(zhuǎn)換為方波信號，生成A和B兩路相互正交的信號。通過分析A和B信號的變化順序，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確判斷旋轉(zhuǎn)方向。此外，磁環(huán)上設(shè)置了一個特殊的磁場配置，當(dāng)傳感器感應(yīng)到這一特定磁場變化時，信號處理電路會輸出一個Z索引信號，該信號為短暫脈沖，每旋轉(zhuǎn)一圈僅出現(xiàn)一次，用于標(biāo)定旋轉(zhuǎn)的零位或起始位置。信號處理電路不僅確保了信號輸出的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，還為系統(tǒng)的精確控制提供了可靠保障。
二
現(xiàn)代工業(yè)的關(guān)鍵角色
在工業(yè)自動化領(lǐng)域，磁編碼器用于精確控制和監(jiān)測機(jī)械設(shè)備。在機(jī)器人控制領(lǐng)域，磁編碼器為機(jī)器人運(yùn)動控制提供高精度的角度、位置和速度測量支持。汽車電子領(lǐng)域中，磁編碼器用于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和節(jié)氣門位置傳感器。在航空航天領(lǐng)域，磁編碼器用于飛行器的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，確保飛行姿態(tài)和航向控制的穩(wěn)定性，同時能在極端環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。
工業(yè)自動化。磁編碼器在工業(yè)自動化中發(fā)揮重要作用，主要用于精確控制和監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的位置、速度和加速度。例如，AS5048A磁編碼器芯片廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制系統(tǒng)，為電機(jī)提供精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速與位置反饋，確保數(shù)控機(jī)床的高精度加工控制。此外，磁編碼器具備出色的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在多塵、多油、多水等惡劣條件下穩(wěn)定運(yùn)行，廣泛適用于工業(yè)縫紉機(jī)、加工機(jī)械等場景，提升設(shè)備性能與可靠性。
機(jī)器人控制。磁編碼器在機(jī)器人控制領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在精確的角度、位置和速度測量上，是機(jī)器人運(yùn)動控制的重要傳感器。其非接觸式測量方式具備高精度、耐磨損、抗干擾等優(yōu)勢，廣泛用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度檢測、輪式機(jī)器人的速度控制以及導(dǎo)航定位等場景，保障機(jī)器人動作的靈活性和穩(wěn)定性，滿足工業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療等多種機(jī)器人應(yīng)用需求。
汽車電子。磁編碼器在汽車電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要用于精確控制和位置監(jiān)測系統(tǒng)。例如，TMAG5170磁編碼器芯片被用于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS），通過測量轉(zhuǎn)向軸角度，為車輛提供精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向控制，提升駕駛安全性與舒適性。此外，磁編碼器還應(yīng)用于節(jié)氣門位置傳感器，監(jiān)測節(jié)氣門開度，優(yōu)化發(fā)動機(jī)性能與燃油效率。憑借高穩(wěn)定性和抗干擾能力，磁編碼器能夠在復(fù)雜的汽車運(yùn)行環(huán)境中穩(wěn)定工作，成為汽車電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。
航空航天。磁編碼器在航空航天領(lǐng)域因其高精度、非接觸式設(shè)計和抗干擾能力，被廣泛用于飛行器的導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域。在導(dǎo)航系統(tǒng)中，磁編碼器精確測量舵面、發(fā)動機(jī)控制等關(guān)鍵部件的角度與位置，提供實時反饋，確保飛行姿態(tài)和航向控制的穩(wěn)定性。在定位系統(tǒng)中，磁編碼器通過檢測部件位置，支持飛行器在起飛、飛行和著陸過程中的精準(zhǔn)操作，特別適用于自動駕駛和高度控制。此外，磁編碼器具備極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在高溫、低溫、強(qiáng)振動和真空等極端條件下穩(wěn)定運(yùn)行，確保系統(tǒng)長時間保持高精度與可靠性。
磁編碼器面臨多重技術(shù)挑戰(zhàn)，在自動化生產(chǎn)線中，動力線產(chǎn)生的電磁噪聲會干擾信號傳輸；其次是溫度漂移問題，溫度變化導(dǎo)致的位置漂移影響測量精度；最后是卡滯現(xiàn)象，灰塵或沉積物積累導(dǎo)致編碼器機(jī)械部件運(yùn)動受阻，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。
電磁干擾的挑戰(zhàn)。磁編碼器在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，但常面臨電磁干擾的挑戰(zhàn)。干擾源主要包括大型電動機(jī)、電焊機(jī)產(chǎn)生的電磁場，以及動力線傳輸中的電磁噪聲。這些干擾可通過空間輻射或直接傳導(dǎo)方式影響磁編碼器的信號傳輸。例如，在自動化生產(chǎn)線上，磁編碼器與動力線共用管道或電纜束時，動力線高電流的變化會產(chǎn)生電磁噪聲，干擾編碼器的正常工作。
溫度漂移控制的挑戰(zhàn)。磁編碼器的工作性能易受溫度變化影響，溫度漂移可能導(dǎo)致測量誤差。溫度變化引起材料的熱脹冷縮，會導(dǎo)致位置漂移，降低測量精度。例如，在戶外太陽能跟蹤系統(tǒng)中，溫度波動較大，磁編碼器需具備良好的溫度穩(wěn)定性，以確保精確跟蹤。因此，有效控制溫度漂移，提高磁編碼器在不同溫度條件下的穩(wěn)定性和可靠性，是其面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。
卡滯現(xiàn)象的挑戰(zhàn)。磁編碼器在實際應(yīng)用中可能出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，當(dāng)灰塵或沉積物積累在編碼器及傳感器部分時，可能阻礙機(jī)械部件的正常運(yùn)動，導(dǎo)致軸轉(zhuǎn)動不順暢，影響數(shù)據(jù)輸出的準(zhǔn)確性。這種卡滯現(xiàn)象會降低系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，尤其在高精度要求的應(yīng)用中需特別關(guān)注。
三
市場增長空間可觀
2023年，中國磁編碼器市場銷售額為129億元人民幣，預(yù)計到2025年市場規(guī)模將增至174億元人民幣。技術(shù)如5G和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用正在拓寬磁編碼器的市場應(yīng)用空間，提升其性能和應(yīng)用場景，推動市場發(fā)展。同時，政策如“中國制造2025”戰(zhàn)略的實施，將智能制造作為磁編碼器市場增長的重要動力。
中國磁編碼器市場。根據(jù)博研咨詢，2023年，中國磁編碼器市場的總銷售額為129億元人民幣，相比2022年的111億元，增長了15.6%，預(yù)計到2025年，市場規(guī)模將達(dá)到174億元，復(fù)合年均增長率(CAGR)為13.5%。
新技術(shù)拓寬市場應(yīng)用空間。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，磁編碼器的性能和應(yīng)用場景不斷拓展，推動市場快速發(fā)展。磁編碼器與通信技術(shù)的結(jié)合，使遠(yuǎn)程監(jiān)測和實時數(shù)據(jù)傳輸成為可能，并助力智能制造的加速發(fā)展。借助物聯(lián)網(wǎng)和云計算等先進(jìn)技術(shù)，磁編碼器能夠與智能設(shè)備無縫協(xié)作，打造更加高效的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。同時，技術(shù)創(chuàng)新在提升分辨率、增強(qiáng)抗干擾能力、減小尺寸和降低功耗等方面取得顯著突破，不僅提高了磁編碼器在高精度位置和角度檢測中的適用性，還顯著降低了成本，進(jìn)一步拓寬了市場應(yīng)用領(lǐng)域。
政策驅(qū)動市場增長。隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的實施，智能制造正成為推動磁編碼器市場增長的重要動力。智能制造的推進(jìn)需要高精度、高穩(wěn)定性的位置和速度檢測，磁編碼器作為關(guān)鍵傳感器之一，在這一領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。例如，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域，磁編碼器用于實現(xiàn)精確的位置控制和速度反饋，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。技術(shù)創(chuàng)新，如提高分辨率、減小體積、降低功耗并提升可靠性，進(jìn)一步滿足了智能制造領(lǐng)域的需求。
四
國內(nèi)外領(lǐng)軍企業(yè)
德國Heidenhain以其高精度和高可靠性的磁編碼器產(chǎn)品，特別是ERN、ECN和EQN系列旋轉(zhuǎn)編碼器而聞名。美國Dynapar以其豐富的旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)品組合和定制化系統(tǒng)解決方案在全球范圍內(nèi)應(yīng)用于多個行業(yè)。日本Tamagawa以其SA48系列絕對式多圈智能編碼器和防強(qiáng)磁編碼器而著稱。
Heidenhain。Heidenhain是一家德國公司，成立于1889年，是全球磁編碼器行業(yè)的龍頭企業(yè)之一，以其高精度和高可靠性的產(chǎn)品而聞名。Heidenhain的磁編碼器技術(shù)以其無接觸、無磨損的特點而突出，特別是其ERN、ECN和EQN系列旋轉(zhuǎn)編碼器，這些產(chǎn)品自帶軸承和安裝的定子聯(lián)軸器，具有安裝簡單、總長度短的特點。Heidenhain的ERM和ECM模塊型磁柵編碼器以其堅固耐用、徑大、厚度小、小巧緊湊而著稱，特別適合生產(chǎn)型機(jī)床使用。在營收方面，Heidenhain在全球磁編碼器市場中占有重要地位，其產(chǎn)品銷量、收入、價格及毛利率均表現(xiàn)良好，體現(xiàn)了其在全球市場中的競爭力。
Dynapar。Dynapar是一家美國公司，成立于1955年，在全球磁編碼器行業(yè)中占據(jù)重要地位的企業(yè)。Dynapar以其在運(yùn)動反饋控制設(shè)備設(shè)計和制造領(lǐng)域的專業(yè)而著稱。Dynapar的突出技術(shù)在于其豐富的旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)品組合，特別是其磁編碼器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在全球范圍內(nèi)應(yīng)用于航空航天、石油和天然氣、風(fēng)電等多個行業(yè)。Dynapar的磁編碼器以其高可靠性和精確度而受到市場的認(rèn)可，特別是在提供定制化系統(tǒng)解決方案方面，Dynapar展現(xiàn)出其獨(dú)特的定制能力，能夠滿足不同行業(yè)的特定需求。
Tamagawa。Tamagawa是一家日本公司，成立于1938年，是全球領(lǐng)先的電機(jī)和傳感器提供商之一Tamagawa以其豐富的產(chǎn)品系列和技術(shù)創(chuàng)新而著稱，包括增量式、絕對式編碼器，以及適用于單圈和多圈場景的產(chǎn)品。Tamagawa的SA48系列絕對式多圈智能編碼器，以其優(yōu)異的耐環(huán)境性和高分辨率/高速跟蹤能力而受到市場的認(rèn)可，能夠在惡劣環(huán)境中使用，支持單轉(zhuǎn)17位和多轉(zhuǎn)16位，總計33位的高精度檢測。此外，Tamagawa的產(chǎn)品還包括了防強(qiáng)磁編碼器，這些編碼器以其出色的抗干擾能力在工業(yè)自動化和伺服電機(jī)控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。
匯川技術(shù)開發(fā)了23位絕對值編碼器，并承擔(dān)了省級重大科技項目，與高校合作推動技術(shù)發(fā)展。禾川技術(shù)以其19位磁編碼器的耐環(huán)境性和補(bǔ)正技術(shù)在市場中占據(jù)優(yōu)勢。宇智動力則以一次性充磁技術(shù)和高位數(shù)碼盤設(shè)計打破了精度瓶頸，產(chǎn)品性能達(dá)到國際水平，價格競爭力強(qiáng)。
匯川技術(shù)。匯川技術(shù)是國內(nèi)磁編碼器行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)之一。該公司通過收購長春市匯通電子有限責(zé)任公司，獲得了伺服系統(tǒng)編碼器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)絕對值23位編碼器的企業(yè)并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了更高位數(shù)的編碼器技術(shù)。匯川技術(shù)的磁編碼器產(chǎn)品在直驅(qū)電機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用，結(jié)合其電磁設(shè)計平臺和電機(jī)制造技術(shù)，顯著提升了系統(tǒng)的易用性和運(yùn)行性能。匯川技術(shù)承擔(dān)了浙江省科學(xué)技術(shù)廳的“高速高精度磁編碼器開發(fā)”等重大科技專項重點工業(yè)項目，開發(fā)高速高精度磁編碼器，通過內(nèi)置式溫度補(bǔ)償傳感器和先進(jìn)的算法軟件，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。此外，匯川技術(shù)還與清華大學(xué)等高等學(xué)府建立聯(lián)合實驗室，深化產(chǎn)學(xué)研合作，推動磁編碼器及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。
禾川技術(shù)。禾川技術(shù)作為國內(nèi)磁編碼器行業(yè)的龍頭企業(yè)，以其在伺服磁編碼器領(lǐng)域的深入研發(fā)和市場拓展而著稱。公司的突出技術(shù)在于其19位的磁編碼器，這一技術(shù)具備耐震動、耐油污、耐灰塵等優(yōu)勢，并已通過大批量市場驗證，展現(xiàn)出穩(wěn)定可靠的性能。禾川技術(shù)的磁編碼器產(chǎn)品在精度設(shè)計上采用了補(bǔ)正技術(shù)，通過在每個一定的區(qū)間內(nèi)添加補(bǔ)正量，對累計精度進(jìn)行補(bǔ)正，從而大大提升了產(chǎn)品的可靠性與穩(wěn)定性。在市場份額和營收方面，2018-2022年公司營業(yè)收入由2.83億元增長到9.44億元，CAGR為35.15%。
宇智動力。宇智動力作為國內(nèi)磁編碼器行業(yè)的龍頭企業(yè)，其突出技術(shù)在于自主研發(fā)的一次性充磁技術(shù)，采取獨(dú)特的編碼方式與高精度顯示，該技術(shù)實現(xiàn)了內(nèi)圈126極、外圈128極的碼盤設(shè)計。這一技術(shù)突破成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度磁編碼器，打破了此前國產(chǎn)產(chǎn)品精度不足的瓶頸，為我國人形機(jī)器人和新能源車行業(yè)注入了新活力。宇智動力的產(chǎn)品不僅在技術(shù)和質(zhì)量上已達(dá)到國際一流水平，而且價格僅為進(jìn)口產(chǎn)品的2/3甚至1/2，極具市場競爭力。公司在深圳擁有3000平方米的生產(chǎn)基地，已經(jīng)完成了小批量試生產(chǎn)，并正在籌備大規(guī)模量產(chǎn)。
（來源久謙資本）
