Üherajaliste ja kaherajaliste magnetkooderi ketaste võrdlus

Tööstusautomaatikas, roboti ühisjuhtimises ja uutes energiasõidukite mootorisüsteemides mängivad magnetkoodrid üha kriitilisemat rolli. Kontaktivaba magnetvälja tuvastamise kaudu muudavad nad pöörleva või lineaarse liikumise täpseteks elektrilisteks signaalideks, pakkudes süsteemile teavet asukoha, kiiruse ja suuna kohta. 'süda' a magnetkooder on just see pealtnäha lihtne magnetketas (magnetrõngas).

Kui insenerid hakkavad komponente valima, seisavad nad sageli silmitsi mitmete vältimatute küsimustega. Mis vahe on ühe- ja kaherajalistel? Milliste stsenaariumide jaoks sobivad vastavalt kummimagnetid ja survevaluferriidid?

1. Ühe rajaga kettad: piisavad, kuid mitte piisavalt 'nutikad'

Üherajalisel magnetkettal on ainult üks magnetiseeritud rada ja see töötab ühe anduriga. See arvutab impulsssignaalide väljastamise teel pöördenurga; sisuliselt on see inkrementaalne kodeerija – see saab öelda vaid 'kui palju see on pöörlenud', kuid ei saa otseselt määrata 'mis suunas see pöörleb' või 'mis absoluutses asendis see parasjagu on.'

Sel põhjusel tuleb üherajalise süsteemi nullpunkt iga kord uuesti sisse lülitada. Kui seade lülitatakse välja ja taaskäivitatakse, läheb kogu eelnev asukohateave kaotsi.

Üherajalistel ketastel on aga ka asendamatu väärtus: lihtne struktuur, ülimadalad kulud ja lühike signaalitöötlusahel. Need sobivad väga hästi rakendusteks, mis vajavad ainult kiiruse mõõtmist ja ei nõua suunda ega absoluutset asendit – näiteks ventilaatori kiiruse tuvastamine, ühesuunalised liikumissüsteemid ja kulutundlik tavamootori juhtimine.

2. Kahe rajaga kettad: absoluutse asukoha mõõtmine 'kahe joonlauaga'

Kahe rajaga ketta põhiidee on integreerida samale magnetile kaks magnetiseeritud rada – põhirada ja sekundaarrada (mida tavaliselt nimetatakse nooniirajalaks) –, mille magnetiliste pooluste paaride arv erineb ühe võrra, näiteks 64 pooluste paari on seotud 63 poolusepaariga või 32 pooluste paari, mis on seotud 31 pooluste paariga.

Selle disaini leidlikkus seisneb selles, et kuna kahel rajal on erinev pooluste paaride arv, on kahe raja tekitatud magnetväljade kombinatsioon igas nurgaasendis ainulaadne. Kodeerija kiip loeb kahe signaalikanali faaside erinevust ja noonuse põhimõttel (sarnaselt noonuse nihiku lugemisloogikale) saab arvutada praeguse absoluutse nurgaasendi 360° piires – isegi pärast väljalülitatud taaskäivitamist saab täpse asukoha teada kohe, kui toide taastub, ilma et oleks vaja 'nulli\' naasta.

Kahe rajaga kaasnevad jõudluse täiustused on mitmemõõtmelised:

• Eraldusvõime hüpe : kvadratuurdekodeerimisega võivad kahe kanaliga signaalid efektiivset eraldusvõimet suurendada 4 korda. 50 poolusepaariga magnetrõnga puhul saab üherajaline süsteem saada ainult 50 loendust pöörde kohta, samas kui kaherajaline kvadratuurdekodeerimisega süsteem suudab saavutada 200 loendust.

• Suuna tuvastamise võimalus : kahe signaalikanali faasijada peegeldab otseselt pöörlemissuunda, ilma et oleks vaja täiendavaid loogilisi järeldusi.

• Häirekindel liiasus : kahe kanaliga signaalid suudavad üksteist kontrollida, hõlbustades vigaste impulsside väljafiltreerimist vibratsiooni- või elektromagnetiliste häirete keskkonnas, parandades oluliselt süsteemi stabiilsust.

• Ruumiefektiivsus : võrreldes kahe üherajalise magnetrõnga kõrvuti kasutamisega võib integreeritud kaherajaline struktuur vähendada aksiaalset ruumi hõivatust umbes 30–40%, mis on ülioluline mahutundlike rakenduste, näiteks roboti liigendite puhul.

Muidugi nõuab kaherajaline lahendus kahte andurit ja keerukamat signaalitöötlusskeemi, seega on riistvarakulu suhteliselt suurem. Kuid stsenaariumide puhul, kus positsioneerimise täpsuse nõuded on ranged, nagu servosüsteemid, robotliigendid ja harjadeta mootorite täppisjuhtimine, tasub see investeering end ära.

3. Materjalide arutelu: kummimagnetid vs. survevaluferriit

Olgu see ühe- või kaherajaline, ketta substraadi materjali valik on võrdselt kriitiline. Praegu on kooderi magnetrõngaste jaoks kaks kõige sagedamini kasutatavat materjali kummimagnetid ja survevaluferriit, millest igaühel on oma eripära.

Kummist magnetid: paindlikud 'kõikvõimalikud'

Kummist magnetid valmistatakse ferriidi magnetpulbri segamisel elastomeeridega nagu nitriilkummi, millele järgneb segamine, kalandreerimine ja vulkaniseerimine. Nende suurim eelis seisneb  paindlikkuses ja töötlemise lihtsuses – neid saab teha õhukesteks lehtedeks või rullideks ning kohandada kumerate või erikujuliste paigaldusnõuetega, muutes need eriti sobilikuks piiratud ruumiliste ja kergete stsenaariumide jaoks.

Kaasaegsete kummimagnetkodeerijate magnetiline jõudlus paraneb samuti pidevalt. Kummi koostist optimeerides saab ferriidipulbri täiteastet veelgi suurendada ja sellised tootjad nagu NTN on saavutanud 25% suurema magnetjõu võrreldes traditsiooniliste kummikodeerijatega. Hutchinsoni Elasto-Ferrite seeria magnetrõngad võivad saavutada kuni 3500 G remanentsi, nii väikese pooluse laiuse kui 2 mm ja perioodi tolerantsi 0,05° piires.

Kuid kummimagnetitel on ka ilmseid puudusi:  piiratud temperatuuritaluvus , tavaliselt vahemikus 60 °C kuni 80 °C, ja suhteliselt nõrk magnetiline jõudlus. Need sobivad rohkem väikestele ja keskmise suurusega mootoritele, autode ABS-anduritele ja muudele väiksematele temperatuurinõuetele.

Pritsevormitud ferriit: jäik 'täppisfraktsioon'

Injektsioonvormitud ferriit valmistatakse strontsium- või baariumferriidi magnetpulbri segamisel tehniliste plastidega, nagu nailon (PA66) või PPS, ja seejärel survevalu abil. Selle peamised eelised seisnevad  mõõtmete ühtsuses ja vormimisvabaduses – keerulisi geomeetrilisi kujundeid saab survevalu abil vormida ühes etapis ning mõõtmed on partiide kaupa väga stabiilsed, mis on kahe rajaga ketta kahe raja täpseks joondamiseks ülioluline.

Injektsioonvormitud ferriidil on  oluliselt parem temperatuuritaluvus kui kummimagnetitel . Nailonpõhiste survevalumagnetite kuumakindlus võib ulatuda 120–150 °C-ni, mis on palju kõrgem kui kummimagnetite 60–80 °C. Mehaanilise vastupidavuse seisukohalt on survevaluferriidil suurem pinnakõvadus, tugevam kulumis- ja löögikindlus ning pikaajalisel kasutamisel on väiksem tõenäosus, et tekib pragusid või kahjustusi. Lisaks on ferriidil endal oksiidmaterjalina suurepärane korrosioonikindlus ja see ei vaja täiendavat kattekaitset.

Kahe materjali põhiparameetrite võrdlus

Valikuloogika on tegelikult üsna selge: kui rakendus taotleb  suurt täpsust, suurt vastupidavust ja laia temperatuurivahemikku , on survevaluferriit sobivam; Kui osas on kõrgemad nõuded  paindlikkuse, kergekaalu ja kulude kontrolli , on kummimagnetid pragmaatilisem valik.

4. Kombinatsioonistrateegia: radade arvu sobitamine materjaliga

Kui rööbastee struktuur ja materjali omadused on mõistetud, saab valikust maatriksistiilis otsus:

• Üherajaline + kummimagnet : kõige ökonoomsem lahendus, mis sobib lihtsaks kiiruse mõõtmiseks, ventilaatori kiiruse tuvastamiseks ja sarnasteks stsenaariumideks.

• Üherajaline + survevalu ferriit : parandab vastupidavust ja temperatuuri kohanemisvõimet, hoides kulud kontrolli all; sobib järkjärguliseks kasutamiseks suhteliselt karmides keskkondades, näiteks autode rattakiiruse andurid.

• Kahe rööbastee + kummimagnet : tasakaalustab absoluutse positsioneerimisvõime ja kerge kaalu. NTN-i ülitäpse nurgaandur kasutab kummist magnetmaterjalist valmistatud kaherajalist struktuuri, saavutades nurga täpsuse ±0,1° ja kaalulanguse 27%.

• Kahe rööpmega + survevalu ferriit : mõeldud kõige nõudlikumatele tööstuslikele stsenaariumidele – servomootoritele, robotliigenditele ja CNC-tööpinkide pöördlaudadele –, mis nõuavad ülitäpset absoluutset positsioneerimist, laia temperatuuri stabiilsust ja pikaajalist töökindlust.

Väärib märkimist, et kaherajalise ketta täpsus ei sõltu mitte ainult materjalist, vaid, mis veelgi olulisem,  magnetiseerimise täpsusest . Kahe raja vaheline kaugus on äärmiselt väike ja traditsioonilised partiimagnetiseerimismeetodid on altid magnetilisele läbirääkimisele, mis põhjustab külgnevate radade magnetpooluste deformatsiooni. Tööstusharu juhtiv lähenemisviis on 'ühepooluseline andmete kirjutamine' – nagu andmete kirjutamine kõvakettale, magnetiseerivad mikromagnetpead pooluste kaupa järjest, parandades seeläbi radade faaside joondamise täpsust alla mikroni tasemeni.

Lõppkokkuvõttes on magnetilise kodeerija ketta valimine 'nõuete sobitamise' protsess. Üherajalised kettad lahendavad küsimuse 'kui palju see on pööratud' kõige lihtsamal viisil, samas kui kaherajalised kettad kasutavad kahte erineva skaalaga 'joonlauda', et vastata põhimõttelisemale küsimusele 'kus on praegu tuntud kummitavus ja ökonoomsus. survevalu ferriit võidab jäikuse ja täpsusega. Kui rööbastee struktuur ja materjali omadused on õigesti sobitatud, suudavad magnetkodeerijad pakkuda maksimaalset jõudlust tööstusautomaatikas ja intelligentsetes seadmetes.