Az egysávos és kétsávos mágneses kódolólemezek összehasonlítása

Az ipari automatizálásban, a robotcsukló-vezérlésben és az új energetikai járművek motorrendszereiben a mágneses kódolók egyre kritikusabb szerepet töltenek be. Érintkezés nélküli mágneses térérzékelés révén a forgó vagy lineáris mozgást precíz elektromos jelekké alakítják, így helyzet-, sebesség- és irányinformációkkal látják el a rendszert. A 'szív' a a mágneses kódoló pontosan az a látszólag egyszerű mágneslemez (mágneses gyűrű).

Amikor a mérnökök elkezdik kiválasztani az alkatrészeket, gyakran számos elkerülhetetlen kérdéssel szembesülnek: Mi a különbség az egysávos és a kétsávos között? Milyen forgatókönyvekre alkalmasak a gumimágnesek, illetve a fröccsöntött ferritek?

1. Egysávos lemezek: elegendőek, de nem elég 'okos'

Az egysávos mágneslemeznek csak egy mágnesezett sávja van, és egyetlen érzékelővel működik. Impulzusjelek kiadásával számítja ki a forgási szöget; lényegében egy inkrementális kódoló – csak azt tudja megmondani, 'mennyit forgott', de nem tudja közvetlenül meghatározni, 'melyik irányba forog' vagy 'milyen abszolút pozícióban van jelenleg'.

Emiatt az egysávos rendszer nulla referenciapontját minden bekapcsoláskor vissza kell állítani. Ha a készüléket kikapcsolják és újraindítják, minden korábbi pozícióinformáció elvész.

Az egysávos lemezeknek azonban pótolhatatlan értéke is van: egyszerű felépítés, rendkívül alacsony költség és rövid jelfeldolgozási lánc. Nagyon alkalmasak olyan alkalmazásokhoz, ahol csak sebességmérésre van szükség, és nem igényelnek irányt vagy abszolút pozíciót – ilyenek például a ventilátorsebesség érzékelése, az egyirányú mozgásrendszerek és a költségérzékeny hagyományos motorvezérlés.

2. Kétsávos lemezek: abszolút pozíció mérése 'két vonalzóval'

A kétsávos lemezek alapötlete, hogy két mágnesezett sávot integrálnak ugyanazon a mágnesen – egy fő sávot és egy másodlagos sávot (általában nóniuszsávnak nevezik) –, amelyek mágneses póluspárjainak száma eggyel különbözik, például 64 póluspár 63 póluspárral vagy 32 póluspár 31 póluspárral párosítva.

A konstrukció ötletessége abban rejlik, hogy mivel a két pálya különböző számú póluspárral rendelkezik, bármilyen szöghelyzetben a két pálya által generált mágneses mezők kombinációja egyedi. A kódolóchip beolvassa a két jelcsatorna közötti fáziskülönbséget, és a nóniusz-elv alapján (hasonlóan a nóniuszos tolómérő olvasási logikájához) 360°-on belül ki tudja számítani az aktuális abszolút szöghelyzetet – még kikapcsolt újraindítás után is a pontos pozíció a tápellátás visszaállítása után ismerhető meg, anélkül, hogy 'vissza\' nullára kellene állítani.

A két sáv által hozott teljesítményjavulás többdimenziós:

• Felbontásugrás : Kvadratúra dekódolással a kétcsatornás jelek 4-szeresére növelhetik az effektív felbontást. Egy 50 póluspáros mágnesgyűrűnél az egysávos rendszer csak 50 számlálást tud elérni fordulatonként, míg a kétsávos rendszer négyzetes dekódolással 200 számlálást ér el.

• Irányérzékelési képesség : A két jelcsatorna fázissorrendje közvetlenül tükrözi a forgásirányt, további logikai következtetés nélkül.

• Zavarálló redundancia : A kétcsatornás jelek igazolni tudják egymást, így könnyebben kiszűrhetők a hibás impulzusok vibrációs vagy elektromágneses interferencia környezetben, jelentősen javítva a rendszer stabilitását.

• Helyhatékonyság : A két egysínű mágnesgyűrű egymás melletti használatához képest az integrált kétvágányú szerkezet körülbelül 30–40%-kal csökkentheti a tengelyirányú térkihasználást, ami döntő fontosságú a térfogatérzékeny alkalmazásoknál, például a robotcsuklóknál.

Természetesen egy kétsávos megoldáshoz két érzékelő és bonyolultabb jelfeldolgozó áramkör szükséges, így a hardverköltség viszonylag magasabb. A szigorú pozicionálási pontossági követelményeket támasztó forgatókönyvekben, mint például szervorendszerek, robotcsuklók és a kefe nélküli motorok precíziós vezérlése azonban megéri ezt a befektetést.

3. Az anyagvita: Gumi mágnesek vs. fröccsöntött ferrit

Akár egysávos, akár kétsávos, a lemez hordozóanyagának megválasztása ugyanolyan kritikus. Jelenleg a két leggyakrabban használt anyag a kódoló mágneses gyűrűihez a gumimágnesek és a fröccsöntött ferrit, amelyek mindegyike sajátos karakterrel rendelkezik.

Gumi mágnesek: a rugalmas 'mindenkörű'

A gumimágnesek ferrit mágneses por elasztomerekkel, például nitrilkaucsukkal való összekeverésével készülnek, majd kompaundálással, kalanderezéssel és vulkanizálással. Legnagyobb előnyük  a rugalmasságban és a könnyű feldolgozhatóságban rejlik – vékony lapokká vagy tekercsekké alakíthatók, és az ívelt vagy speciálisan kialakított beépítési követelményekhez igazíthatók, így különösen alkalmasak szűkös, könnyű forgatókönyvekre.

A modern gumimágneses kódolók mágneses teljesítménye is folyamatosan javul. A gumi összetételének optimalizálásával a ferritpor töltési aránya tovább növelhető, és az olyan gyártók, mint az NTN, 25%-os mágneses erőnövekedést értek el a hagyományos gumi kódolókhoz képest. A Hutchinson Elasto-Ferrite sorozatának mágneses gyűrűi akár 3500 G remanenciát, 2 mm-es pólusszélességet és 0,05°-on belül szabályozott periódustűrést képesek elérni.

A gumimágneseknek azonban vannak nyilvánvaló hiányosságai is:  korlátozott hőállóság , általában 60 °C és 80 °C között, és viszonylag gyenge mágneses teljesítmény. Alkalmasabbak kis- és közepes méretű motorokhoz, autóipari ABS-érzékelőkhöz és más, kevésbé igényes hőmérsékleti igényű alkalmakhoz.

Fröccsöntött ferrit: A merev 'precíziós frakció'

A fröccsöntött ferrit úgy készül, hogy stroncium- vagy bárium-ferrit mágneses port kevernek össze műszaki műanyagokkal, például nylonnal (PA66) vagy PPS-sel, majd fröccsöntéssel alakítják ki. Alapvető előnyei  a méretkonzisztenciában és a formázási szabadságban rejlenek – az összetett geometriai formák egy lépésben fröccsönthetők, a méretek pedig nagyon stabilak kötegenként, ami döntő fontosságú a kétsávos lemez két sávjának pontos egymáshoz igazításához.

A fröccsöntött ferrit  lényegesen jobb hőállósággal rendelkezik, mint a gumimágnesek . A nylon alapú fröccsöntött mágnesek hőállósága elérheti a 120-150°C-ot, ami jóval magasabb, mint a gumimágneseké 60-80°C. A fröccsöntött ferrit mechanikai tartósságát tekintve nagyobb felületi keménységgel, erősebb kopásállósággal és ütésállósággal rendelkezik, és kevésbé valószínű, hogy hosszú távú használat során repedések vagy sérülések keletkeznek. Ezenkívül, mint oxid anyag, maga a ferrit kiváló korrózióállósággal rendelkezik, és nem igényel további bevonatvédelmet.

A két anyag kulcsparamétereinek összehasonlítása

A kiválasztási logika valójában teljesen egyértelmű: ha az alkalmazás  nagy pontosságot, nagy tartósságot és széles hőmérséklet-tartományt kíván , a fröccsöntött ferrit megfelelőbb; Ha magasabb követelményeket támasztanak  a rugalmassággal, a könnyű súlyozással és a költségszabályozással kapcsolatban , a gumimágnesek a gyakorlatiasabb választás.

4. Kombinációs stratégia: A pályaszám és az anyag párosítása

A pálya szerkezetének és anyagjellemzőinek megértése után a kiválasztás mátrix-stílusú döntéssé válik:

• Egyvágányú + gumimágnes : A leggazdaságosabb megoldás, egyszerű fordulatszám-mérésre, ventilátor fordulatszám-érzékelésére és hasonló forgatókönyvekre.

• Egyvágányú + fröccsöntött ferrit : javítja a tartósságot és a hőmérséklet-alkalmazkodóképességet, miközben a költségeket ellenőrizhetően tartja; Alkalmas inkrementális alkalmazásokhoz viszonylag zord környezetben, például autókerék-fordulatszám-érzékelőkhöz.

• Kettős nyomtávú + gumimágnes : Egyensúlyban tartja az abszolút pozicionálási képességet és a könnyű súlyt. Az NTN nagy pontosságú szögérzékelője gumimágneses anyagból készült, kétvágányú szerkezetet használ, így ±0,1°-os szögpontosságot és 27%-os súlycsökkenést ér el.

• Kettős nyomvonalú + fröccsöntött ferrit : A legigényesebb ipari forgatókönyvekre – szervomotorok, robotcsuklók és CNC szerszámgépek forgóasztalai – célzott, amelyek nagy pontosságú abszolút pozicionálást, széles hőmérsékleti stabilitást és hosszú távú megbízhatóságot igényelnek.

Érdemes megjegyezni, hogy a kétsávos lemezek pontossága nemcsak az anyagtól függ, hanem, ami még fontosabb,  a mágnesezési pontosságtól is . A két sáv közötti távolság rendkívül kicsi, és a hagyományos kötegelt mágnesezési módszerek hajlamosak a mágneses áthallásra, ami a szomszédos sávok mágneses pólusainak deformációját okozza. Az iparágban vezető megközelítés az 'egypólusú adatírás' mágnesezés – az adatok merevlemezre írásához hasonlóan a mikromágneses fejek pólusról pólusra mágneseznek egymás után, ezáltal a sávok közötti fázisigazítási pontosságot szubmikron szintre javítják.

Végső soron a mágneses kódoló lemez kiválasztása a 'követelményillesztés' folyamata. Az egysávos lemezek a 'mennyit forgott' kérdését oldják meg a legegyszerűbben, míg a kétsávos lemezek két különböző léptékű 'vonalzót' használnak az alapvető kérdés megválaszolására, hogy 'hol a mágnesesség, a rugalmasság és a gazdaságosság most. a fröccsöntött ferrit merevséggel és pontossággal nyer. Ha a pályaszerkezet és az anyagjellemzők megfelelően illeszkednek, a mágneses kódolók maximális teljesítményt nyújthatnak az ipari automatizálásban és az intelligens berendezésekben.