مقارنة بين أقراص التشفير المغناطيسي ذات المسار الواحد والمسار المزدوج

في الأتمتة الصناعية، والتحكم المشترك بالروبوت، وأنظمة محركات مركبات الطاقة الجديدة، تلعب أجهزة التشفير المغناطيسي دورًا حاسمًا بشكل متزايد. من خلال استشعار المجال المغناطيسي غير المتصل، يقومون بتحويل الحركة الدوارة أو الخطية إلى إشارات كهربائية دقيقة، مما يوفر للنظام معلومات الموقع والسرعة والاتجاه. 'قلب' أ التشفير المغناطيسي هو على وجه التحديد ذلك القرص المغناطيسي الذي يبدو بسيطًا (الحلقة المغناطيسية).

عندما يبدأ المهندسون في اختيار المكونات، غالبًا ما يواجهون عدة أسئلة لا يمكن تجنبها: ما هو بالضبط الفرق بين المسار الواحد والمسار المزدوج؟ ما هي السيناريوهات التي تناسب المغناطيس المطاطي والفريت المصبوب بالحقن على التوالي؟

1. الأقراص ذات المسار الواحد: كافية، ولكنها ليست 'ذكية' بدرجة كافية

يحتوي القرص المغناطيسي أحادي المسار على مسار ممغنط واحد فقط ويعمل باستخدام مستشعر واحد. يقوم بحساب زاوية الدوران عن طريق إخراج إشارات النبض. في جوهره، هو عبارة عن برنامج تشفير تزايدي - يمكنه فقط إخبارك 'بمدى دورانه' ولكن لا يمكنه تحديد 'الاتجاه الذي يدور فيه' أو 'الموضع المطلق الذي يوجد فيه حاليًا' بشكل مباشر.

ولهذا السبب، يجب إعادة إنشاء نقطة الصفر المرجعية لنظام أحادي المسار في كل مرة يتم فيها تشغيله. إذا تم إيقاف تشغيل الجهاز وإعادة تشغيله، فسيتم فقدان جميع معلومات الموقع السابقة.

ومع ذلك، فإن الأقراص أحادية المسار لها أيضًا قيمة لا يمكن تعويضها: بنية بسيطة، وتكلفة منخفضة للغاية، وسلسلة معالجة إشارات قصيرة. إنها مناسبة جدًا للتطبيقات التي تحتاج فقط إلى قياس السرعة ولا تتطلب اتجاهًا أو موضعًا مطلقًا - مثل اكتشاف سرعة المروحة، وأنظمة الحركة أحادية الاتجاه، والتحكم العادي في المحركات الحساسة للتكلفة.

2. الأقراص ذات المسار المزدوج: قياس الموضع المطلق باستخدام 'المسطرتين'

الفكرة الأساسية للقرص ثنائي المسار هي دمج مسارين ممغنطين على نفس المغناطيس - مسار رئيسي ومسار ثانوي (يُسمى عادةً مسار رنيه) - مع اختلاف عدد أزواج الأقطاب المغناطيسية بمقدار واحد، على سبيل المثال، 64 زوجًا من الأقطاب مقترنة بـ 63 زوجًا من الأقطاب، أو 32 زوجًا من الأقطاب مقترنة بـ 31 زوجًا من الأقطاب.

تكمن براعة هذا التصميم في حقيقة أنه نظرًا لأن المسارين لهما أعداد مختلفة من أزواج الأقطاب، فإن مجموعة المجالات المغناطيسية الناتجة عن المسارين تكون فريدة من نوعها في أي موضع زاوي. تقرأ شريحة التشفير فرق الطور بين قناتي الإشارة، ومن خلال مبدأ الورنية (المشابه لمنطق القراءة الخاص بفرجار الورنية)، يمكنها حساب الموضع الزاوي المطلق الحالي ضمن 360 درجة - حتى بعد إعادة تشغيل انقطاع التيار الكهربائي، يمكن معرفة الموقع الدقيق لحظة استعادة الطاقة، دون الحاجة إلى 'العودة إلى الصفر'.

إن تحسينات الأداء التي توفرها المسارات المزدوجة متعددة الأبعاد:

• قفزة الدقة : مع فك التشفير التربيعي، يمكن للإشارات ثنائية القناة زيادة الدقة الفعالة بعامل 4. بالنسبة للحلقة المغناطيسية التي تحتوي على 50 زوجًا من الأقطاب، يمكن لنظام المسار الواحد الحصول على 50 عددًا فقط لكل دورة، في حين أن النظام ثنائي المسار مع فك التشفير التربيعي يمكنه تحقيق 200 عدد.

• القدرة على كشف الاتجاه : يعكس تسلسل الطور لقناتي الإشارة اتجاه الدوران مباشرة، دون الحاجة إلى استدلال منطقي إضافي.

• التكرار المقاوم للتداخل : يمكن للإشارات ثنائية القناة التحقق من بعضها البعض، مما يسهل تصفية النبضات الخاطئة في بيئات الاهتزاز أو التداخل الكهرومغناطيسي، مما يحسن استقرار النظام بشكل كبير.

• كفاءة المساحة : بالمقارنة مع استخدام حلقتين مغناطيسيتين أحاديتي المسار جنبًا إلى جنب، يمكن للهيكل المدمج ثنائي المسار أن يقلل من شغل المساحة المحورية بحوالي 30% إلى 40%، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات الحساسة للحجم مثل مفاصل الروبوت.

وبطبيعة الحال، يتطلب الحل ثنائي المسار جهازي استشعار ودوائر أكثر تعقيدًا لمعالجة الإشارات، وبالتالي فإن تكلفة الأجهزة أعلى نسبيًا. ومع ذلك، في السيناريوهات التي تتطلب متطلبات دقة تحديد المواقع الصارمة، مثل أنظمة المؤازرة، ومفاصل الروبوت، والتحكم الدقيق في المحركات بدون فرش، فإن هذا الاستثمار يستحق العناء.

3. النقاش حول المواد: المغناطيس المطاطي مقابل الفريت المصبوب بالحقن

سواء كان مسارًا واحدًا أو مسارًا مزدوجًا، فإن اختيار مادة الركيزة للقرص أمر بالغ الأهمية بنفس القدر. في الوقت الحاضر، المادتان الأكثر استخدامًا للحلقات المغناطيسية للتشفير هما المغناطيس المطاطي والفريت المصبوب بالحقن، ولكل منهما طابع مميز.

المغناطيس المطاطي: المرن 'الشامل'

يتم تصنيع المغناطيس المطاطي عن طريق خلط مسحوق الفريت المغناطيسي مع المطاط الصناعي مثل مطاط النتريل، متبوعًا بالتركيب والتقويم والفلكنة. وتكمن الميزة الكبرى لها في  المرونة وسهولة المعالجة - حيث يمكن تحويلها إلى صفائح أو لفات رفيعة وتكييفها مع متطلبات التثبيت المنحنية أو ذات الأشكال الخاصة، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للسيناريوهات ذات المساحة المحدودة وخفيفة الوزن.

كما يتحسن الأداء المغناطيسي لأجهزة التشفير المغناطيسية المطاطية الحديثة بشكل مستمر. ومن خلال تحسين تركيبة المطاط، يمكن زيادة نسبة ملء مسحوق الفريت بشكل أكبر، وقد حققت الشركات المصنعة مثل NTN زيادة بنسبة 25٪ في القوة المغناطيسية مقارنة بأجهزة التشفير المطاطية التقليدية. يمكن للحلقات المغناطيسية في سلسلة Elasto-Ferrite من Hutchinson تحقيق بقاء يصل إلى 3500 جم، وعرض عمود صغير يصل إلى 2 مم، وفترة تسامح يتم التحكم فيها خلال 0.05 درجة.

ومع ذلك، فإن المغناطيس المطاطي له أيضًا عيوب واضحة:  مقاومة محدودة لدرجة الحرارة ، عادة ما بين 60 درجة مئوية و80 درجة مئوية، وأداء مغناطيسي ضعيف نسبيًا. إنها أكثر ملاءمة للمحركات الصغيرة والمتوسطة الحجم، وأجهزة استشعار ABS للسيارات، وغيرها من المناسبات ذات متطلبات درجة الحرارة الأقل تطلبًا.

الفريت المصبوب بالحقن: 'فصيل الدقة' الصلب

يتم تصنيع الفريت المقولب بالحقن عن طريق خلط مسحوق السترونتيوم أو الفريت المغناطيسي مع اللدائن الهندسية مثل النايلون (PA66) أو PPS ثم تشكيله عن طريق القولبة بالحقن. تكمن مزاياه الأساسية في  اتساق الأبعاد وحرية التشكيل - يمكن تشكيل الأشكال الهندسية المعقدة بالحقن في خطوة واحدة، والأبعاد مستقرة للغاية من دفعة إلى أخرى، وهو أمر بالغ الأهمية للمحاذاة الدقيقة للمسارين في قرص مزدوج المسار.

يتمتع الفريت المصبوب بالحقن  بمقاومة درجات الحرارة أفضل بكثير من المغناطيس المطاطي . يمكن أن تصل المقاومة الحرارية للمغناطيسات المصنوعة من النايلون إلى 120-150 درجة مئوية، وهي أعلى بكثير من 60-80 درجة مئوية للمغناطيس المطاطي. من حيث المتانة الميكانيكية، يتمتع الفريت المصبوب بالحقن بصلابة سطح أعلى، ومقاومة تآكل أقوى ومقاومة للصدمات، وأقل عرضة لتطور الشقوق أو التلف أثناء الاستخدام على المدى الطويل. بالإضافة إلى ذلك، باعتباره مادة أكسيدية، يتمتع الفريت نفسه بمقاومة ممتازة للتآكل ولا يتطلب أي حماية إضافية للطلاء.

مقارنة المعلمات الرئيسية للمادتين

منطق الاختيار واضح تمامًا في الواقع: إذا كان التطبيق يتبع  الدقة العالية والمتانة العالية ونطاق درجة حرارة واسع ، فإن الفريت المصبوب بالحقن يكون أكثر ملاءمة؛ إذا كانت هناك متطلبات أعلى  للمرونة، وخفة الوزن، والتحكم في التكلفة ، فإن المغناطيس المطاطي هو الخيار الأكثر واقعية.

4. استراتيجية الجمع: مطابقة عدد المسارات مع المواد

بمجرد فهم هيكل المسار وخصائص المواد، يصبح الاختيار قرارًا على شكل مصفوفة:

• مسار واحد + مغناطيس مطاطي : الحل الأكثر اقتصادًا، ومناسب لقياس السرعة البسيط، واكتشاف سرعة المروحة، والسيناريوهات المماثلة.

• مسار واحد + فريت مصبوب بالحقن : يعمل على تحسين المتانة والقدرة على التكيف مع درجات الحرارة مع الحفاظ على إمكانية التحكم في التكاليف؛ مناسبة للتطبيقات المتزايدة في البيئات القاسية نسبيًا، مثل أجهزة استشعار سرعة عجلات السيارات.

• مسار مزدوج + مغناطيس مطاطي : يوازن بين القدرة المطلقة على تحديد المواقع وخفة الوزن. يستخدم مستشعر الزاوية عالي الدقة من NTN هيكلًا ثنائي المسار مصنوعًا من مادة مغناطيسية مطاطية، مما يحقق دقة زاوية تبلغ ±0.1 درجة وتقليل الوزن بنسبة 27%.

• مسار مزدوج + فريت مصبوب بالحقن : يستهدف السيناريوهات الصناعية الأكثر تطلبًا - المحركات المؤازرة، والمفاصل الآلية، والطاولات الدوارة لأدوات الآلة CNC - التي تتطلب تحديد موضع مطلق عالي الدقة، وثباتًا في درجات الحرارة الواسعة، وموثوقية طويلة المدى.

ومن الجدير بالذكر أن دقة القرص ثنائي المسار لا تعتمد فقط على المادة، بل أيضًا، والأهم من ذلك، على  دقة المغنطة . المسافة بين المسارين صغيرة للغاية، وطرق مغنطة الدفعات التقليدية عرضة للتداخل المغناطيسي، مما يتسبب في تشوه الأقطاب المغناطيسية في المسارات المجاورة. النهج الرائد في الصناعة هو مغنطة 'كتابة البيانات أحادية القطب' - مثل كتابة البيانات على القرص الصلب، تقوم الرؤوس المغناطيسية الدقيقة بمغنطة قطب بعد قطب بالتسلسل، وبالتالي تحسين دقة محاذاة الطور بين المسارات إلى مستوى الميكرون الفرعي.

في التحليل النهائي، يعد اختيار قرص التشفير المغناطيسي بمثابة عملية 'مطابقة المتطلبات'. تحل الأقراص ذات المسار الواحد مسألة 'مدى دورانها' بأبسط طريقة، بينما تستخدم الأقراص ثنائية المسار 'مسطرتين' بمقاييس مختلفة للإجابة على السؤال الأكثر جوهرية وهو 'أين هو الآن'. ومن المعروف أن المغناطيس المطاطي يتميز بالمرونة والاقتصاد، في حين يفوز الفريت المصبوب بالحقن بالصلابة والدقة. عندما تتم مطابقة هيكل المسار وخصائص المواد بشكل صحيح، يمكن لأجهزة التشفير المغناطيسية تقديم أقصى قدر من الأداء في الأتمتة الصناعية والمعدات الذكية.