במערכות בקרה אוטומטיות, מקודדים מגנטיים פועלים כמו 'עצבים תחושתיים' של ציוד, לוכדים במדויק כל פרט בתנועה. בחירת הסוג הנכון היא חיונית להבטחת תפעול יעיל של המערכת.
באוטומציה תעשייתית מודרנית, רובוטיקה וציוד חכם, מקודדים מגנטיים הפכו למרכיבי ליבה לזיהוי מיקום בשל היתרונות הייחודיים שלהם. בהשוואה למקודדים אופטיים מסורתיים, מקודדים מגנטיים מציעים יכולת הסתגלות סביבתית רבה יותר, אמינות גבוהה יותר וטביעת רגל קטנה יותר.
מול דרישות יישומים מגוונות, מקודדים מגנטיים פיתחו מסלולים טכניים ושיטות סיווג שונות, כאשר לכל סוג יש מאפייני ביצועים ייחודיים משלו ותרחישי יישום מתאימים.
01 מקודדים מגנטיים: עקרון עבודה ויתרונות טכניים
מקודדים מגנטיים הם חיישני מיקום המבוססים על העיקרון של אינדוקציה מגנטית , מדידת תזוזה סיבובית או לינארית על ידי זיהוי שינויים תקופתיים בשדה מגנטי.
הרכיבים הבסיסיים כוללים שלושה חלקים: סולם/טבעת מגנטי, חיישן מגנטי ומעגל עיבוד אותות.
לסולם המגנטי או הטבעת יש קטבים מגנטיים N/S מסודרים באופן שווה, ויוצרים התפלגות שדה מגנטי תקופתית. כאשר מתרחשת תנועה יחסית בין הסולם המגנטי לחיישן, אלמנט החישה המגנטי מזהה את השינוי בשדה המגנטי ומוציא אות חשמלי מתאים, אשר לאחר מכן מעובד על ידי המעגל כדי לקבל מידע על מיקום.
בהשוואה למקודדים אופטיים, מקודדים מגנטיים מציעים יתרונות מרובים : עמידות חזקה יותר בפני זיהום ורעידות; התאמה לטווח טמפרטורות רחב יותר; מבנה פשוט ועלות נמוכה יותר; יכולת עבודה יציבה בסביבות תעשייתיות קשות.
מאפיינים אלה הובילו ליישום נרחב של מקודדים מגנטיים בתחומים כמו אוטומציה תעשייתית, אלקטרוניקה לרכב ותעופה וחלל.
02 סיווג לפי סוג פלט אות: אינקרמנטלי, מוחלט והיברידית
מקודדים מגנטיים מצטברים
מקודדים מצטברים מוציאים אותות דו-פאזיים דו-פאזיים A ו-B עם הפרש פאזה של 90° ; חלקם כוללים גם אות אינדקס פאזה Z (אחד לכל סיבוב).
על ידי ספירת מספר הפולסים ושפוט של רצף שלבי A ו-B, ניתן לקבוע את התזוזה היחסית ואת כיוון התנועה.
יתרונות : מבנה פשוט, עלות נמוכה, תדירות תגובה גבוהה.
חסרונות : מידע על המיקום הולך לאיבוד לאחר אובדן חשמל, מצריך החזרה.
יישומים : מתאים לסיבוב רציף, בקרת מהירות ולאירועים עם נקודות התייחסות ברורות.
מקודדים מגנטיים מוחלטים
כל מיקום של מקודד מוחלט מתאים לקוד דיגיטלי ייחודי . הוא שומר מידע על המיקום לאחר אובדן הספק ומשיג מיד את ערך המיקום הנוכחי עם הפעלת הכוח.
סיבוב בודד מוחלט : בטווח של 360°, לכל עמדה יש קוד ייחודי; הקוד עובר מחזוריות לאחר מעבר ל-360°.
Multi-Turn Absolute : מוסיף ספירת מהפכה על בסיס הסיבוב הבודד, מרחיב את טווח המדידה.
יתרונות : זיכרון כיבוי, אין צורך בביוב, נתונים אמינים.
חסרונות : מבנה מורכב, עלות גבוהה יותר.
יישומים : תחומים הדורשים אמינות גבוהה, כגון מפרקי רובוט, כלי מכונת CNC ותעופה וחלל.
מקודדים מגנטיים היברידיים
מקודדים היברידיים משלבים את התכונות של סוגים אינקרמנטליים ומוחלטים , המסוגלים להפיק גם מידע מיקום מוחלט וגם אותות מצטברים ברזולוציה גבוהה.
עיצוב זה מאזן בין אמינות מערכת ודיוק, והוא הופך לפופולרי יותר ויותר במערכות סרוו מתקדמות ובציוד מדידה מדויק.
03 סיווג לפי עקרון זיהוי מגנטי: אפקט הול, מגנטוריסטי
מקודדים של אפקט הול
בהתבסס על אפקט הול, כאשר מוליך נושא זרם ממוקם בשדה מגנטי, נוצר הפרש פוטנציאל בכיוון המאונך הן לזרם והן לשדה המגנטי.
מאפיינים : עלות נמוכה, מאפייני טמפרטורה טובים, תוחלת חיים ארוכה.
חסרונות : רזולוציה נמוכה יחסית.
יישומים : יישומים רגישים לעלות כמו מנועי רכב ומכשירי חשמל ביתיים.
מקודדים אנזוטרופיים מגנטוריסטיים (AMR).
נצל את המאפיין שההתנגדות של חומרים פרומגנטיים משתנה בשדה מגנטי חיצוני. הרגישות גבוהה בכמה סדרי גודל מאלמנטים בהול.
מאפיינים : רזולוציה גבוהה, תגובת תדר רחבה, מאפייני טמפרטורה יציבים.
חסרונות : דורש מיגון מגנטי, עלות גבוהה יותר.
יישומים : מנועי סרוו בעלי דיוק גבוה, מכשירים מדויקים.
מקודדים ענקיים מגנוטוריסטיים (GMR) ו-Tunnel Magnetoresistive (TMR).
GMR ו-TMR הן טכנולוגיות זיהוי מגנטי מהדור החדש, עם רגישות בסדר גודל גבוה מ-AMR.
מאפיינים : רגישות גבוהה במיוחד, יחס אות לרעש גבוה, צריכת חשמל נמוכה.
חסרונות : תהליך מורכב, עלות גבוהה.
יישומים : שדות דיוק גבוה במיוחד כמו רובוטים תעשייתיים מתקדמים וציוד רפואי.
04 סיווג לפי סוג מבנה: פיר מוצק, חלול עיוור, חלול דרך
מקודדים מגנטיים מגל מוצק
החיישן מחובר באופן קבוע לציר המסתובב, וכולל מבנה קומפקטי, מומנט נמוך ועלות נמוכה.
מתאים למנועים קטנים ומיקרו-רובוטים עם אילוצי מקום, אך ההתקנה דורשת צימוד ודורשת דיוק יישור גבוה.
מקודדים מגנטיים של Blind Hollow (חצי חלול).
למקודד יש חור עיוור בצד אחד והוא מותקן ישירות על ציר המנוע, ומציע התקנה קלה ואמינות טובה.
זהו המבנה הנפוץ ביותר כיום, המאזן בין ביצועים לעלות, והוא נמצא בשימוש נרחב במנועי סרוו ורובוטים תעשייתיים.
דרך מקודדים מגנטיים חלולים (פיר חלול).
יש חור מרכזי שחודר לכל המקודד , המאפשר מעבר כבלים או פיר, עונה על צרכי התקנה מיוחדים.
מתאים למבנים מכניים מורכבים, כגון מפרקי רובוט שיתופי ופטיפונים מדויקים.
05 סיווג לפי דרגת דיוק: מסחרי, תעשייתי, מכשיר
מקודדים מגנטיים בדרגה מסחרית
רזולוציה : בדרך כלל מתחת ל-12 סיביות (4096 PPR)
דיוק : ±1° או יותר
טמפרטורת הפעלה : 0°C עד +70°C
יישומים : מכשירי חשמל לבית, מוצרי צריכה, מנועים כלליים
מקודדים מגנטיים בדרגה תעשייתית
רזולוציה : 12-16 סיביות (4096-65536 PPR)
דיוק : ±0.1° עד ±0.5°
טמפרטורת הפעלה : -40°C עד +85°C
דירוג הגנה : בדרך כלל IP54 ומעלה
יישומים : אוטומציה תעשייתית, מנועי סרוו, כלי עבודה חשמליים
מקודדים מגנטיים בדרגת מכשירים
רזולוציה : 16-24 סיביות (65536-16777216 PPR)
דיוק : ±0.01° עד ±0.05°
טמפרטורת הפעלה : -40°C עד +110°C
מאפיינים מיוחדים : עמידות בפני זעזועים, עמידות בפני רעידות, הגנה על EMC
יישומים : מחקר תעופה וחלל, מדידות דיוק גבוהות
06 מדריך לבחירת מקודד מגנטי
הגדר דרישות יישום
סוג תנועה : תנועה סיבובית או ליניארית? מתמשך או הדדי?
דרישות בקרה : בקרת מיקום, בקרת מהירות או שניהם?
תנאים סביבתיים : טמפרטורה, לחות, רעידות, הפרעות אלקטרומגנטיות?
קבע פרמטרים מרכזיים
רזולוציה : בחר בהתבסס על דרישות דיוק בקרה, לא בהכרח גבוה יותר הוא טוב יותר.
דיוק : שקול את תקציב השגיאות הכולל של המערכת.
תדירות תגובה : חייבת לעמוד בדרישת מהירות הפעולה המקסימלית.
ממשק פלט : מקביל, טורי, אוטובוס שדה.
שקול את תנאי ההתקנה
מגבלות שטח : קבע את מידות ההתקנה המותרות ואת השיטה.
חיבור פיר : שקול את דרישות היישור ואת נוחות ההתקנה.
דירוג הגנה : בחר הגנה מתאימה על סמך מזהמים סביבתיים.
הערכת גורמים כלכליים
טווח תקציב : מצא נקודת איזון בין צרכי הביצועים והעלות.
עלות מחזור חיים : שקול עלויות ארוכות טווח של תחזוקה והחלפה.
זמן אספקה : להבטיח יציבות של שרשרת האספקה.
07 סוגים מיוחדים של מקודדים מגנטיים
מקודדים מגנטיים ליניאריים
משמש למדידת תזוזה ליניארית , המורכב מסולם מגנטי וראש קריאה.
יתרונות : טווח מדידה גדול, התקנה גמישה, עמידות חזקה לזיהום.
יישומים : מכונות CNC, מכונות מדידת קואורדינטות, מנועים ליניאריים.
מקודדים מגנטיים אבסולוטיים מרובי פניות
השתמש בטכנולוגיית קצירת אנרגיה של Wiegand או במנגנוני העברת גלגלי שיניים כדי להשיג ספירת סיבובים מכנית.
מאפיינים : יכול לשמור מידע על מיקום מרובה פניות לאחר אובדן חשמל ללא צורך בסוללה.
יישומים : מערכות שיפוע טורבינות רוח, מכונות נמל, מכונות הנדסיות.
מקודדים מגנטיים כפולים
יש שתי יחידות זיהוי מגנטיות עצמאיות שיכולות להפיק שני אותות בו זמנית.
יתרונות : עיצוב מיותר משפר את האמינות; אותות כפולים מקלים על פיצוי שגיאות.
יישומים : מערכות קריטיות לבטיחות, אירועים מיוחדים הדורשים אמינות גבוהה.
עם התקדמות בחומרים מגנטיים, מעגלים משולבים וטכנולוגיות עיבוד אותות, מקודדים מגנטיים מתפתחים לקראת דיוק גבוה יותר, גודל קטן יותר ואינטליגנציה רבה יותר.
טכנולוגיות חדשניות כגון רכיבי חישה מגנטיים חדשים של TMR, פונקציות אבחון עצמי אינטליגנטיות ותכנוני בקרת כונן משולבים מרחיבות ללא הרף את גבולות היישום של מקודדים מגנטיים.
בהקשר של Industry 4.0 העתידי והייצור החכם, החשיבות של מקודדים מגנטיים כ'עצבים תחושתיים' של ציוד תלך ותהיה בולטת יותר ויותר, ויספקו יכולות תפיסת מיקום מדויקות ואמינות יותר עבור ציוד חכם.
