Usporedba diskova magnetskog enkodera s jednom i dvije staze

U industrijskoj automatizaciji, upravljanju zglobovima robota i novim energetskim motornim sustavima vozila, magnetski enkoderi igraju sve važniju ulogu. Putem beskontaktnog senzora magnetskog polja, oni pretvaraju rotacijsko ili linearno gibanje u precizne električne signale, dajući sustavu informacije o položaju, brzini i smjeru. 'Srce' a magnetski enkoder je upravo taj naizgled jednostavan magnetski disk (magnetski prsten).

Kada inženjeri počnu birati komponente, često se suočavaju s nekoliko neizbježnih pitanja: Koja je točno razlika između jednotračnih i dvotračnih? Za koje su scenarije prikladni gumeni magneti i feriti lijevani injekcijom?

1. Single-Track diskovi: Dovoljno, ali nedovoljno 'pametno'.

Magnetski disk s jednom stazom ima samo jednu magnetiziranu stazu i radi s jednim senzorom. Izračunava kut rotacije emitiranjem impulsnih signala; u biti, to je inkrementalni koder—može vam samo reći 'koliko se zarotirao', ali ne može izravno odrediti 'u kojem smjeru rotira' ili 'u kojem se apsolutnom položaju trenutno nalazi'

Zbog toga se referentna nulta točka jednotračnog sustava mora ponovno uspostaviti svaki put kada se uključi. Ako se uređaj isključi i ponovno pokrene, sve prethodne informacije o položaju se gube.

Međutim, jednotračni diskovi također imaju nezamjenjivu vrijednost: jednostavnu strukturu, iznimno nisku cijenu i kratak lanac obrade signala. Vrlo su prikladni za aplikacije koje trebaju samo mjerenje brzine i ne zahtijevaju smjer ili apsolutni položaj—kao što je detekcija brzine ventilatora, sustavi jednosmjernog gibanja i ekonomična obična kontrola motora.

2. Diskovi s dvije staze: Mjerenje apsolutnog položaja s 'dva ravnala'

Osnovna ideja diska s dvostrukom stazom je integrirati dvije magnetizirane staze na istom magnetu — glavnu stazu i sekundarnu stazu (obično zvanu staza s nonijusom) — pri čemu se njihov broj parova magnetskih polova razlikuje za jedan, na primjer, 64 para polova uparena sa 63 para polova, ili 32 para polova uparena s 31 parom polova.

Genijalnost ovog dizajna leži u činjenici da, budući da dvije staze imaju različit broj pari polova, u bilo kojem kutnom položaju kombinacija magnetskih polja koja generiraju dvije staze je jedinstvena. Čip enkodera očitava faznu razliku između dva kanala signala i, putem principa noniusa (slično logici očitanja pomične čeljusti), može izračunati trenutni apsolutni kutni položaj unutar 360°—čak i nakon ponovnog pokretanja isključenja, točan položaj može se znati u trenutku kada se napajanje vrati, bez potrebe za 'vraćanjem na nulu'.

Poboljšanja performansi koja donose dvostruki kolosijeci su višedimenzionalna:

• Skok rezolucije : S kvadraturnim dekodiranjem, dvokanalni signali mogu povećati efektivnu rezoluciju za faktor 4. Za magnetski prsten s 50 pari polova, jednotračni sustav može postići samo 50 brojanja po okretaju, dok dvotračni sustav s kvadraturnim dekodiranjem može postići 200 brojanja.

• Mogućnost detekcije smjera : Fazni slijed dva signalna kanala izravno odražava smjer rotacije, bez potrebe za dodatnim logičkim zaključivanjem.

• Redundancija otporna na smetnje : dvokanalni signali mogu se međusobno provjeravati, olakšavajući filtriranje pogrešnih impulsa u okruženjima vibracija ili elektromagnetskih smetnji, značajno poboljšavajući stabilnost sustava.

• Učinkovitost prostora : U usporedbi s korištenjem dva jednotračna magnetska prstena jedan pored drugoga, integrirana dvostruka struktura može smanjiti aksijalno zauzeće prostora za oko 30%–40%, što je ključno za aplikacije osjetljive na volumen kao što su zglobovi robota.

Naravno, dual-track rješenje zahtijeva dva senzora i složeniji sklop za obradu signala, tako da je trošak hardvera relativno veći. Međutim, u scenarijima sa strogim zahtjevima za točnost pozicioniranja, kao što su servo sustavi, spojevi robota i precizna kontrola motora bez četkica, ova se investicija isplati.

3. Rasprava o materijalima: gumeni magneti nasuprot brizganom feritu

Bez obzira na to je li disk s jednom stazom ili s dvije staze, izbor materijala podloge za disk jednako je kritičan. Trenutno su dva najčešće korištena materijala za magnetske prstenove enkodera gumeni magneti i ferit lijevani injekcijom, a svaki ima poseban karakter.

Gumeni magneti: Fleksibilni 'svestrani'

Gumeni magneti izrađuju se miješanjem feritnog magnetskog praha s elastomerima kao što je nitrilna guma, nakon čega slijedi miješanje, kalandriranje i vulkaniziranje. Njihova najveća prednost leži u  fleksibilnosti i jednostavnosti obrade — mogu se izraditi u tanke listove ili role i prilagoditi zakrivljenim ili posebno oblikovanim zahtjevima za ugradnju, što ih čini posebno prikladnima za prostorno ograničene, lagane scenarije.

Magnetska izvedba modernih enkodera s gumenim magnetima također se stalno poboljšava. Optimiziranjem formulacije gume, omjer punjenja feritnog praha može se dodatno povećati, a proizvođači kao što je NTN postigli su 25% povećanje magnetske sile u usporedbi s tradicionalnim gumenim koderima. Magnetski prstenovi u Hutchinsonovoj Elasto-Ferrite seriji mogu postići remanenciju do 3500 G, širinu pola od samo 2 mm i toleranciju perioda kontroliranu unutar 0,05°.

Međutim, gumeni magneti također imaju očite nedostatke:  ograničenu temperaturnu otpornost , obično između 60°C i 80°C, i relativno slabu magnetsku učinkovitost. Prikladniji su za male i srednje motore, automobilske ABS senzore i druge prilike s manje zahtjevnim temperaturnim zahtjevima.

Injekcijski lijevani ferit: kruta 'precizna frakcija'

Injekcijski lijevani ferit izrađuje se miješanjem magnetskog praha stroncijeva ili barijeva ferita s inženjerskom plastikom kao što je najlon (PA66) ili PPS, a zatim se oblikuje injekcijskim prešanjem. Njegove ključne prednosti leže u  dosljednosti dimenzija i slobodi oblikovanja — složeni geometrijski oblici mogu se brizgati u jednom koraku, a dimenzije su vrlo stabilne od serije do serije, što je ključno za precizno poravnanje dviju staza u disku s dvije staze.

Injekcijski lijevani ferit ima  značajno bolju temperaturnu otpornost od gumenih magneta . Otpornost na toplinu brizganih magneta na bazi najlona može doseći 120–150°C, daleko više od 60–80°C gumenih magneta. Što se tiče mehaničke izdržljivosti, brizgani ferit ima veću površinsku tvrdoću, veću otpornost na habanje i udarce te je manja vjerojatnost da će se razviti pukotine ili oštećenja tijekom dugotrajne uporabe. Osim toga, kao oksidni materijal, sam ferit ima izvrsnu otpornost na koroziju i ne zahtijeva dodatnu zaštitu premaza.

Usporedba ključnih parametara dvaju materijala

Logika odabira zapravo je prilično jasna: ako primjena teži  visokoj preciznosti, visokoj izdržljivosti i širokom rasponu temperatura , injekcijski lijevani ferit je prikladniji; ako postoje veći zahtjevi za  fleksibilnošću, malom težinom i kontrolom troškova , gumeni magneti su pragmatičniji izbor.

4. Strategija kombiniranja: usklađivanje broja pjesama s materijalom

Nakon što se shvate struktura staze i karakteristike materijala, odabir postaje odluka u stilu matrice:

• Jednotračni + gumeni magnet : Najekonomičnije rješenje, pogodno za jednostavno mjerenje brzine, detekciju brzine ventilatora i slične scenarije.

• Jednotračni + injekcijski lijevani ferit : Poboljšava izdržljivost i temperaturnu prilagodljivost uz kontrolu troškova; pogodan za inkrementalne primjene u relativno teškim okruženjima, kao što su senzori brzine kotača automobila.

• Dual-track + gumeni magnet : Uravnotežuje apsolutnu sposobnost pozicioniranja i malu težinu. NTN-ov visokoprecizni senzor kuta koristi dvostruku strukturu izrađenu od gumenog magnetskog materijala, postižući kutnu točnost od ±0,1° i smanjenje težine od 27%.

• Dual-track + injekcijski lijevani ferit : Namijenjen najzahtjevnijim industrijskim scenarijima - servo motorima, zglobovima robota i rotirajućim stolovima CNC alatnih strojeva - koji zahtijevaju visokoprecizno apsolutno pozicioniranje, široku temperaturnu stabilnost i dugoročnu pouzdanost.

Vrijedno je napomenuti da točnost diska s dvostrukom stazom ne ovisi samo o materijalu već i, što je još važnije, o  točnosti magnetizacije . Razmak između dviju staza iznimno je malen, a tradicionalne metode šaržnog magnetiziranja sklone su magnetskom preslušavanju, što uzrokuje deformaciju magnetskih polova u susjednim stazama. Pristup koji je vodeći u industriji je magnetizacija 'jednopolnog pisanja podataka'—poput pisanja podataka na tvrdi disk, mikromagnetske glave magnetiziraju pol po pol u nizu, čime se poboljšava točnost faznog usklađivanja između staza do razine ispod mikrona.

U konačnoj analizi, odabir diska magnetskog enkodera proces je 'usklađivanja zahtjeva'. Jednotračni diskovi rješavaju pitanje 'koliko se rotirao' na najjednostavniji način, dok dvotračni diskovi koriste dva 'ravnala' s različitim mjerilima kako bi odgovorili na temeljnije pitanje 'gdje je sada'. Gumeni magneti poznati su po fleksibilnosti i ekonomičnosti, dok brizgani ferit osvaja krutošću i preciznošću. Kada su struktura tračnice i karakteristike materijala ispravno usklađeni, magnetski enkoderi mogu pružiti maksimalnu izvedbu u industrijskoj automatizaciji i inteligentnoj opremi.