השוואה בין דיסקים מקודד מגנטי עם מסלול יחיד ודו-מסלול

באוטומציה תעשייתית, בקרת מפרקים של רובוט ומערכות מנוע חדשות לרכבי אנרגיה, המקודדים המגנטיים משחקים תפקיד קריטי יותר ויותר. באמצעות חישת שדה מגנטי ללא מגע, הם ממירים תנועה סיבובית או לינארית לאותות חשמליים מדויקים, ומספקים למערכת מידע על מיקום, מהירות וכיוון. ה'לב' של א מקודד מגנטי הוא בדיוק אותו דיסק מגנטי פשוט לכאורה (טבעת מגנטית).

כאשר מהנדסים מתחילים לבחור רכיבים, הם מתמודדים לעתים קרובות עם מספר שאלות בלתי נמנעות: מה בדיוק ההבדל בין מסלול חד מסלול לדו-מסלול? לאילו תרחישים מתאימים מגנטי גומי ופריטים בהזרקה בהתאמה?

1. דיסקים עם מסלול בודד: מספיק, אבל לא מספיק 'חכם'.

לדיסק מגנטי חד מסלול יש רק מסלול ממוגנט אחד ועובד עם חיישן בודד. זה מחשב את זווית הסיבוב על ידי פלט אותות דופק; בעיקרו של דבר, זהו מקודד אינקרמנטלי - הוא יכול רק לומר לך 'כמה הוא הסתובב', אבל לא יכול לקבוע ישירות 'באיזה כיוון הוא מסתובב' או 'באיזה מיקום מוחלט הוא נמצא כרגע.'

מסיבה זו, יש להקים מחדש את נקודת האפס של מערכת חד-מסלולית בכל פעם שהיא מופעלת. אם המכשיר כבוי ומופעל מחדש, כל מידע המיקום הקודם יאבד.

עם זאת, לדיסקים חד-מסלולים יש גם ערך שאין לו תחליף: מבנה פשוט, עלות נמוכה במיוחד ושרשרת עיבוד אותות קצרה. הם מתאימים מאוד ליישומים שצריכים רק מדידת מהירות ואינם דורשים כיוון או מיקום מוחלט - כגון זיהוי מהירות מאוורר, מערכות תנועה חד-כיווניות ובקרת מנוע רגילה ורגישה לעלות.

2. דיסקים דו-מסלולים: מדידת מיקום מוחלט עם 'שני סרגלים'

הרעיון המרכזי של דיסק דו-מסלולי הוא לשלב שני מסלולים ממוגנטים על אותו מגנט - מסלול ראשי ומסלול משני (בדרך כלל נקרא מסלול וורנייר) - כאשר מספר זוגות הקטבים המגנטיים שלהם שונה באחד, למשל, 64 זוגות קטבים מזווגים עם 63 זוגות קטבים, או זוגות קוטבים של 32 זוגות עם 31 זוגות.

ההמצאה של עיצוב זה טמונה בעובדה שמכיוון שלשני המסילות יש מספר שונה של זוגות קטבים, בכל מיקום זוויתי השילוב של השדות המגנטיים שנוצרים על ידי שני המסילות הוא ייחודי. שבב המקודד קורא את הפרש הפאזה בין שני ערוצי האות, ובאמצעות עקרון הוורנייר (בדומה ללוגיקת הקריאה של קליפר ורנייר), יכול לחשב את המיקום הזוויתי המוחלט הנוכחי בתוך 360° - גם לאחר הפעלה מחדש של כיבוי, ניתן לדעת את המיקום המדויק ברגע החזרת החשמל, ללא צורך 'לחזור לאפס.'

שיפורי הביצועים שמביאים מסלולים כפולים הם רב מימדיים:

• קפיצת רזולוציה : עם פענוח ריבוע, האותות הדו-ערוציים יכולים להגדיל את הרזולוציה האפקטיבית בפקטור של 4. עבור טבעת מגנטית עם 50 זוגות קטבים, מערכת חד-מסלולית יכולה להשיג רק 50 ספירות לכל סיבוב, בעוד שמערכת דו-מסלולית עם פענוח ריבוע יכולה להשיג 200 ספירות.

• יכולת זיהוי כיוון : רצף הפאזה של שני ערוצי האותות משקף ישירות את כיוון הסיבוב, ללא צורך בהסקה לוגית נוספת.

• יתירות עמידה להפרעות : האותות הדו-ערוציים יכולים לאמת זה את זה, מה שמקל על סינון פולסים שגויים בסביבות רעידות או הפרעות אלקטרומגנטיות, מה שמשפר משמעותית את יציבות המערכת.

• יעילות שטח : בהשוואה לשימוש בשתי טבעות מגנטיות חד-מסלוליות זו לצד זו, מבנה דו-מסלול משולב יכול להפחית את תפוסת החלל הצירי בכ-30%-40%, דבר שהוא חיוני ליישומים רגישים לנפח כגון מפרקי רובוט.

כמובן, פתרון דו-מסלול דורש שני חיישנים ומעגלי עיבוד אותות מורכבים יותר, כך שעלות החומרה גבוהה יחסית. עם זאת, בתרחישים עם דרישות דיוק מיקום קפדניות, כגון מערכות סרוו, מפרקי רובוט ושליטה מדויקת של מנועים ללא מברשות, ההשקעה הזו משתלמת.

3. הוויכוח החומרי: מגנטים גומי מול פריט בהזרקה

בין אם הוא חד-מסלול או דו-מסלול, בחירת חומר המצע עבור הדיסק קריטית באותה מידה. נכון לעכשיו, שני החומרים הנפוצים ביותר עבור טבעות מגנטיות מקודד הם מגנטי גומי ופריט יצוק בהזרקה, כל אחד עם אופי מובהק.

מגנטים גומי: 'הכל-סיבוב' הגמיש

מגנטים גומי מיוצרים על ידי ערבוב אבקת פריט מגנטית עם אלסטומרים כגון גומי ניטריל, ולאחר מכן שילוב, קלנדר וגיפור. היתרון הגדול ביותר שלהם טמון  בגמישות ובקלות העיבוד - ניתן להפוך אותם ליריעות דקות או לגלילים ולהתאים אותם לדרישות התקנה מעוקלות או בעלות צורה מיוחדת, מה שהופך אותם למתאימים במיוחד לתרחישים מצומצמים מקום וקלים.

גם הביצועים המגנטיים של מקודדי מגנט גומי מודרניים משתפרים ללא הרף. על ידי אופטימיזציה של נוסחת הגומי, ניתן להגדיל עוד יותר את יחס המילוי של אבקת פריט, ויצרנים כמו NTN השיגו עלייה של 25% בכוח המגנטי בהשוואה למקודדי גומי מסורתיים. הטבעות המגנטיות בסדרת Elasto-Ferrite של האצ'ינסון יכולות להשיג רזולוציה של עד 3500 G, רוחב מוט קטן עד 2 מ'מ, וסובלנות תקופתית שנשלטת בתוך 0.05°.

עם זאת, למגנטים מגומי יש גם חסרונות ברורים:  עמידות בטמפרטורה מוגבלת , בדרך כלל בין 60°C ל-80°C, וביצועים מגנטיים חלשים יחסית. הם מתאימים יותר למנועים קטנים ובינוניים, חיישני ABS לרכב ולאירועים אחרים עם דרישות טמפרטורה פחות תובעניות.

פריט יצוק בהזרקה: 'פלג הדיוק' הנוקשה

פריט יצוק בהזרקה מיוצר על ידי ערבוב אבקה מגנטית של סטרונציום או בריום פריט עם פלסטיק הנדסי כגון ניילון (PA66) או PPS ולאחר מכן יצירתה על ידי הזרקה. יתרונות הליבה שלו טמונים  בעקביות מימדית וחופש יציקה - ניתן ליצוק צורות גיאומטריות מורכבות בשלב אחד, והממדים יציבים מאוד מאצווה לאצווה, וזה חיוני ליישור המדויק של שני המסלולים בדיסק דו-מסלולי.

לפריט יצוק בהזרקה יש  עמידות בטמפרטורה טובה משמעותית ממגנטים מגומי . עמידות החום של מגנטים בהזרקה מבוססי ניילון יכולה להגיע ל-120-150 מעלות צלזיוס, גבוהה בהרבה מ-60-80 מעלות צלזיוס של מגנטים מגומי. מבחינת עמידות מכנית, לפריט יצוק בהזרקה קשיות פני השטח גבוהה יותר, עמידות בפני שחיקה ועמידות בפני פגיעות חזקה יותר, ויש פחות סיכוי לפתח סדקים או נזק במהלך שימוש ארוך טווח. בנוסף, כחומר תחמוצת, לפריט עצמו עמידות מצוינת בפני קורוזיה ואינו דורש הגנה נוספת על ציפוי.

השוואה של פרמטרים מרכזיים של שני החומרים

היגיון הבחירה הוא למעשה די ברור: אם היישום שואף  לדיוק גבוה, עמידות גבוהה וטווח טמפרטורות רחב , פריט בהזרקה מתאים יותר; אם יש דרישות גבוהות יותר  לגמישות, קל משקל ובקרת עלויות , מגנטים מגומי הם הבחירה הפרגמטית יותר.

4. אסטרטגיית שילוב: התאמת ספירת מסלולים לחומר

לאחר שמבינים את מבנה המסלול ומאפייני החומר, הבחירה הופכת להחלטה בסגנון מטריצה:

• מסלול יחיד + מגנט גומי : הפתרון החסכוני ביותר, מתאים למדידת מהירות פשוטה, זיהוי מהירות מאוורר ותרחישים דומים.

• מסלול יחיד + פריט בהזרקה : משפר את העמידות והסתגלות לטמפרטורה תוך שמירה על עלויות ניתנות לשליטה; מתאים ליישומים מצטברים בסביבות קשות יחסית, כגון חיישני מהירות גלגלי רכב.

• מסלול כפול + מגנט גומי : מאזן בין יכולת מיקום מוחלטת וקלות משקל. חיישן הזווית ברמת הדיוק הגבוהה של NTN משתמש במבנה דו-מסלול העשוי מחומר מגנט גומי, ומשיג דיוק זוויתי של ±0.1° והפחתת משקל של 27%.

• מסלול כפול + פריט יצוק בהזרקה : מכוון לתרחישים התעשייתיים התובעניים ביותר - מנועי סרוו, מפרקי רובוט ושולחנות סיבוביים של כלי מכונת CNC - הדורשים מיקום מוחלט ברמת דיוק גבוהה, יציבות בטמפרטורה רחבה ואמינות לטווח ארוך.

ראוי לציין שהדיוק של דיסק דו-מסלול תלוי לא רק בחומר אלא גם, חשוב מכך,  בדיוק המגנטיזציה . המרווח בין שני המסלולים הוא קטן ביותר, ושיטות מגנטיזציה מסורתיות נוטות להצלבה מגנטית, מה שגורם לעיוות של הקטבים המגנטיים במסלולים סמוכים. הגישה המובילה בתעשייה היא מגנטיזציה של 'כתיבת נתונים חד-קוטבי' - כמו כתיבת נתונים לכונן קשיח, ראשים מיקרו מגנטיים ממגנטים קוטב אחר קוטב ברצף, ובכך משפרים את דיוק יישור הפאזה בין מסלולים לרמת תת-מיקרון.

בסופו של דבר, בחירת דיסק מקודד מגנטי היא תהליך של 'התאמת דרישות'. דיסקים חד-מסלוליים פותרים את השאלה 'כמה הוא הסתובב' בצורה הפשוטה ביותר, בעוד שדיסקים דו-מסלוליים משתמשים בשני 'סרגלים' בעלי קנה מידה שונים כדי לענות על השאלה הבסיסית יותר של 'איפה הוא נמצא עכשיו'. מגנטים גומיים ידועים ביעילות ובחסכון קשיח. דיוק. כאשר מבנה המסלול ומאפייני החומר מתאימים כראוי, מקודדים מגנטיים יכולים לספק ביצועים מקסימליים באוטומציה תעשייתית ובציוד חכם.