Comparación de discos codificadores magnéticos de pista única y de doble pista

En la automatización industrial, el control de articulaciones robóticas y los sistemas de motores de vehículos de nueva energía, los codificadores magnéticos desempeñan un papel cada vez más importante. A través de la detección de campos magnéticos sin contacto, convierten el movimiento giratorio o lineal en señales eléctricas precisas, proporcionando al sistema información de posición, velocidad y dirección. El 'corazón' de un El codificador magnético es precisamente ese disco magnético aparentemente simple (anillo magnético).

Cuando los ingenieros comienzan a seleccionar componentes, a menudo se enfrentan a varias preguntas inevitables: ¿Cuál es exactamente la diferencia entre vía única y vía doble? ¿Para qué escenarios son adecuados los imanes de goma y las ferritas moldeadas por inyección, respectivamente?

1. Discos de una sola pista: suficientes, pero no lo suficientemente 'inteligentes'

Un disco magnético de pista única tiene una sola pista magnetizada y funciona con un único sensor. Calcula el ángulo de rotación emitiendo señales de pulso; en esencia, es un codificador incremental: solo puede decirle 'cuánto ha girado', pero no puede determinar directamente 'en qué dirección está girando' o 'en qué posición absoluta se encuentra actualmente'.

Por este motivo, el punto cero de referencia de un sistema monovía debe restablecerse cada vez que se enciende. Si el dispositivo se apaga y se reinicia, se pierde toda la información de la posición anterior.

Sin embargo, los discos de una sola pista también tienen un valor irreemplazable: estructura simple, costo extremadamente bajo y una cadena de procesamiento de señal corta. Son muy adecuados para aplicaciones que solo necesitan medición de velocidad y no requieren dirección o posición absoluta, como detección de velocidad de ventilador, sistemas de movimiento unidireccional y control de motores ordinarios sensibles al costo.

2. Discos de doble vía: medición de la posición absoluta con 'dos reglas'

La idea central de un disco de doble pista es integrar dos pistas magnetizadas en el mismo imán (una pista principal y una pista secundaria (generalmente llamada pista vernier)) con un número de pares de polos magnéticos que difieren en uno, por ejemplo, 64 pares de polos emparejados con 63 pares de polos, o 32 pares de polos emparejados con 31 pares de polos.

El ingenio de este diseño radica en el hecho de que, debido a que las dos pistas tienen diferente número de pares de polos, en cualquier posición angular la combinación de campos magnéticos generados por las dos pistas es única. El chip codificador lee la diferencia de fase entre los dos canales de señal y, a través del principio vernier (similar a la lógica de lectura de un calibrador vernier), puede calcular la posición angular absoluta actual dentro de 360°; incluso después de un reinicio del apagado, la posición exacta se puede conocer en el momento en que se restablece la energía, sin la necesidad de 'volver a cero'.

Las mejoras de rendimiento aportadas por las vías duales son multidimensionales:

• Salto de resolución : con la decodificación en cuadratura, las señales de doble canal pueden aumentar la resolución efectiva en un factor de 4. Para un anillo magnético con 50 pares de polos, un sistema de pista única solo puede obtener 50 cuentas por revolución, mientras que un sistema de doble pista con decodificación en cuadratura puede alcanzar 200 cuentas.

• Capacidad de detección de dirección : la secuencia de fases de los dos canales de señal refleja directamente la dirección de rotación, sin necesidad de inferencia lógica adicional.

• Redundancia resistente a interferencias : las señales de doble canal pueden verificarse entre sí, lo que facilita filtrar pulsos erróneos en entornos de vibración o interferencia electromagnética, lo que mejora significativamente la estabilidad del sistema.

• Eficiencia espacial : en comparación con el uso de dos anillos magnéticos de una sola vía uno al lado del otro, una estructura de doble vía integrada puede reducir la ocupación del espacio axial entre un 30% y un 40%, lo cual es crucial para aplicaciones sensibles al volumen, como las articulaciones de robots.

Por supuesto, una solución de doble vía requiere dos sensores y circuitos de procesamiento de señales más complejos, por lo que el costo del hardware es relativamente mayor. Sin embargo, en escenarios con estrictos requisitos de precisión de posicionamiento, como servosistemas, articulaciones de robots y control de precisión de motores sin escobillas, esta inversión vale la pena.

3. El debate sobre los materiales: imanes de caucho versus ferrita moldeada por inyección

Ya sea de pista única o de doble pista, la elección del material del sustrato para el disco es igualmente crítica. En la actualidad, los dos materiales más utilizados para los anillos magnéticos de los codificadores son los imanes de goma y la ferrita moldeada por inyección, cada uno con un carácter distinto.

Imanes de goma: el 'todoterreno' flexible

Los imanes de caucho se fabrican mezclando polvo magnético de ferrita con elastómeros como el caucho de nitrilo, seguido de composición, calandrado y moldeo por vulcanización. Su mayor ventaja radica en  la flexibilidad y la facilidad de procesamiento : se pueden convertir en láminas o rollos delgados y adaptarse a requisitos de instalación curvos o con formas especiales, lo que los hace especialmente adecuados para escenarios livianos y con limitaciones de espacio.

El rendimiento magnético de los codificadores magnéticos de caucho modernos también mejora continuamente. Al optimizar la formulación del caucho, se puede aumentar aún más la proporción de llenado de polvo de ferrita, y fabricantes como NTN han logrado un aumento del 25 % en la fuerza magnética en comparación con los codificadores de caucho tradicionales. Los anillos magnéticos de la serie Elasto-Ferrite de Hutchinson pueden alcanzar una remanencia de hasta 3500 G, un ancho de polo tan pequeño como 2 mm y una tolerancia de período controlada dentro de 0,05°.

Sin embargo, los imanes de goma también tienen desventajas obvias:  resistencia limitada a la temperatura , generalmente entre 60°C y 80°C, y un rendimiento magnético relativamente débil. Son más adecuados para motores pequeños y medianos, sensores ABS de automóviles y otras ocasiones con requisitos de temperatura menos exigentes.

Ferrita moldeada por inyección: la rígida 'facción de precisión'

La ferrita moldeada por inyección se fabrica mezclando polvo magnético de ferrita de estroncio o bario con plásticos de ingeniería como nailon (PA66) o PPS y luego formándolo mediante moldeo por inyección. Sus principales ventajas residen en  la consistencia dimensional y la libertad de moldeo : se pueden moldear por inyección formas geométricas complejas en un solo paso y las dimensiones son muy estables de un lote a otro, lo cual es crucial para la alineación precisa de las dos pistas en un disco de doble pista.

La ferrita moldeada por inyección tiene  una resistencia a la temperatura significativamente mejor que los imanes de goma . La resistencia al calor de los imanes moldeados por inyección a base de nailon puede alcanzar entre 120 y 150 °C, mucho más que los 60 y 80 °C de los imanes de goma. En términos de durabilidad mecánica, la ferrita moldeada por inyección tiene mayor dureza superficial, mayor resistencia al desgaste y al impacto, y es menos probable que desarrolle grietas o daños durante el uso a largo plazo. Además, como material de óxido, la ferrita en sí tiene una excelente resistencia a la corrosión y no requiere protección de recubrimiento adicional.

Comparación de parámetros clave de los dos materiales

La lógica de selección es bastante clara: si la aplicación busca  alta precisión, alta durabilidad y un amplio rango de temperaturas , la ferrita moldeada por inyección es más adecuada; Si existen mayores requisitos de  flexibilidad, ligereza y control de costes , los imanes de goma son la opción más pragmática.

4. Estrategia de combinación: hacer coincidir el número de pistas con el material

Una vez que se comprenden la estructura de la pista y las características del material, la selección se convierte en una decisión de estilo matricial:

• Monopista + imán de goma : La solución más económica, adecuada para medición sencilla de velocidad, detección de velocidad de ventilador y escenarios similares.

• Ferrita de vía única + moldeada por inyección : mejora la durabilidad y la adaptabilidad de la temperatura mientras mantiene los costos controlables; Adecuado para aplicaciones incrementales en entornos relativamente hostiles, como sensores de velocidad de ruedas de automóviles.

• Doble vía + imán de goma : equilibra la capacidad de posicionamiento absoluto y el peso ligero. El sensor de ángulo de alta precisión de NTN utiliza una estructura de doble vía hecha de material magnético de caucho, logrando una precisión angular de ±0,1° y una reducción de peso del 27 %.

• Ferrita de doble vía + moldeada por inyección : Dirigida a los escenarios industriales más exigentes (servomotores, juntas de robots y mesas giratorias de máquinas herramienta CNC) que requieren posicionamiento absoluto de alta precisión, amplia estabilidad de temperatura y confiabilidad a largo plazo.

Vale la pena señalar que la precisión de un disco de doble pista depende no sólo del material sino también, lo que es más importante, de  la precisión de la magnetización . El espacio entre las dos pistas es extremadamente pequeño y los métodos tradicionales de magnetización por lotes son propensos a la diafonía magnética, lo que provoca la deformación de los polos magnéticos en las pistas adyacentes. El enfoque líder en la industria es la magnetización de 'escritura de datos unipolar': similar a escribir datos en un disco duro, los cabezales micromagnéticos magnetizan polo por polo en secuencia, mejorando así la precisión de la alineación de fase entre pistas al nivel submicrónico.

En el análisis final, seleccionar un disco codificador magnético es un proceso de 'coincidencia de requisitos'. Los discos de una sola pista resuelven la cuestión de 'cuánto ha girado' de la forma más sencilla, mientras que los discos de doble pista utilizan dos 'reglas' con diferentes escalas para responder a la pregunta más fundamental de 'dónde está ahora'. Los imanes de goma son conocidos por su flexibilidad y economía, mientras que la ferrita moldeada por inyección gana con rigidez y precisión. Cuando la estructura de la vía y las características del material coinciden adecuadamente, los codificadores magnéticos pueden ofrecer el máximo rendimiento en automatización industrial y equipos inteligentes.