Confronto tra dischi encoder magnetici a traccia singola e doppia traccia

Nell'automazione industriale, nel controllo congiunto dei robot e nei sistemi motori dei veicoli a nuova energia, gli encoder magnetici svolgono un ruolo sempre più critico. Attraverso il rilevamento del campo magnetico senza contatto, convertono il movimento rotatorio o lineare in segnali elettrici precisi, fornendo al sistema informazioni su posizione, velocità e direzione. Il 'cuore' di a il codificatore magnetico è proprio quel disco magnetico apparentemente semplice (anello magnetico).

Quando gli ingegneri iniziano a selezionare i componenti, spesso si trovano ad affrontare diverse domande inevitabili: qual è esattamente la differenza tra binario singolo e doppio binario? Per quali scenari sono adatti rispettivamente i magneti in gomma e le ferriti stampate a iniezione?

1. Dischi a traccia singola: sufficienti, ma non abbastanza 'intelligenti'.

Un disco magnetico a traccia singola ha una sola traccia magnetizzata e funziona con un singolo sensore. Calcola l'angolo di rotazione emettendo segnali di impulso; in sostanza, è un codificatore incrementale: può solo dirti 'quanto ha ruotato', ma non può determinare direttamente 'in quale direzione sta ruotando' o 'in quale posizione assoluta si trova attualmente'.

Per questo motivo il punto zero di riferimento di un sistema monobinario deve essere ripristinato ad ogni accensione. Se il dispositivo viene spento e riavviato, tutte le informazioni sulla posizione precedente andranno perse.

Tuttavia, i dischi a traccia singola hanno anche un valore insostituibile: struttura semplice, costo estremamente basso e una catena di elaborazione del segnale breve. Sono molto adatti per applicazioni che richiedono solo la misurazione della velocità e non richiedono la direzione o la posizione assoluta, come il rilevamento della velocità della ventola, i sistemi di movimento unidirezionali e il controllo di motori ordinari sensibili ai costi.

2. Dischi a doppia traccia: misurazione della posizione assoluta con 'due righelli'

L'idea centrale di un disco a doppia traccia è quella di integrare due tracce magnetizzate sullo stesso magnete - una traccia principale e una traccia secondaria (solitamente chiamata traccia del nonio) - con il loro numero di coppie polari magnetiche che differiscono di uno, ad esempio, 64 coppie polari accoppiate con 63 coppie polari o 32 coppie polari accoppiate con 31 coppie polari.

L'ingegnosità di questo progetto sta nel fatto che, poiché i due binari hanno un numero diverso di coppie polari, in qualsiasi posizione angolare la combinazione dei campi magnetici generati dai due binari è unica. Il chip dell'encoder legge la differenza di fase tra i due canali del segnale e, attraverso il principio del nonio (simile alla logica di lettura di un calibro a corsoio), può calcolare la posizione angolare assoluta corrente entro 360°; anche dopo un riavvio senza alimentazione, è possibile conoscere la posizione esatta nel momento in cui viene ripristinata l'alimentazione, senza la necessità di 'tornare a zero'.

I miglioramenti prestazionali apportati dal doppio binario sono multidimensionali:

• Salto di risoluzione : con la decodifica in quadratura, i segnali a doppio canale possono aumentare la risoluzione effettiva di un fattore 4. Per un anello magnetico con 50 coppie polari, un sistema a traccia singola può ottenere solo 50 conteggi per giro, mentre un sistema a doppio binario con decodifica in quadratura può raggiungere 200 conteggi.

• Capacità di rilevamento della direzione : la sequenza di fase dei due canali del segnale riflette direttamente la direzione di rotazione, senza la necessità di ulteriori inferenze logiche.

• Ridondanza resistente alle interferenze : i segnali a doppio canale possono verificarsi a vicenda, facilitando il filtraggio degli impulsi errati in ambienti con vibrazioni o interferenze elettromagnetiche, migliorando significativamente la stabilità del sistema.

• Efficienza spaziale : rispetto all'utilizzo di due anelli magnetici a binario singolo affiancati, una struttura integrata a doppio binario può ridurre l'occupazione di spazio assiale di circa il 30%–40%, il che è fondamentale per applicazioni sensibili al volume come i giunti dei robot.

Naturalmente, una soluzione a doppio binario richiede due sensori e circuiti di elaborazione del segnale più complessi, quindi il costo dell'hardware è relativamente più elevato. Tuttavia, in scenari con severi requisiti di precisione di posizionamento, come servosistemi, giunti di robot e controllo di precisione di motori brushless, questo investimento vale la pena.

3. Il dibattito sui materiali: magneti in gomma contro ferrite stampata a iniezione

Che si tratti di una traccia singola o doppia, la scelta del materiale del substrato per il disco è altrettanto critica. Al momento, i due materiali più comunemente utilizzati per gli anelli magnetici degli encoder sono i magneti in gomma e la ferrite stampata a iniezione, ciascuno con un carattere distinto.

Magneti in gomma: il 'tuttofare' flessibile

I magneti in gomma sono realizzati miscelando polvere magnetica di ferrite con elastomeri come gomma nitrilica, seguita da compoundazione, calandratura e stampaggio di vulcanizzazione. Il loro più grande vantaggio risiede nella  flessibilità e nella facilità di lavorazione : possono essere trasformati in fogli o rotoli sottili e adattati a requisiti di installazione curvi o di forma speciale, rendendoli particolarmente adatti a scenari leggeri e con spazio limitato.

Anche le prestazioni magnetiche dei moderni encoder magnetici in gomma sono in continuo miglioramento. Ottimizzando la formulazione della gomma, il rapporto di riempimento della polvere di ferrite può essere ulteriormente aumentato e produttori come NTN hanno ottenuto un aumento del 25% della forza magnetica rispetto ai tradizionali encoder in gomma. Gli anelli magnetici della serie Elasto-Ferrite di Hutchinson possono raggiungere una rimanenza fino a 3500 G, una larghezza del polo di soli 2 mm e una tolleranza del periodo controllata entro 0,05°.

Tuttavia, i magneti in gomma presentano anche evidenti difetti:  resistenza limitata alla temperatura , solitamente compresa tra 60°C e 80°C, e prestazioni magnetiche relativamente deboli. Sono più adatti per motori di piccole e medie dimensioni, sensori ABS automobilistici e altre occasioni con requisiti di temperatura meno impegnativi.

Ferrite stampata ad iniezione: la rigida 'fazione di precisione'

La ferrite stampata a iniezione viene prodotta mescolando polvere magnetica di ferrite di stronzio o bario con tecnopolimeri come nylon (PA66) o PPS e quindi formandola mediante stampaggio a iniezione. I suoi principali vantaggi risiedono nella  coerenza dimensionale e nella libertà di stampaggio : forme geometriche complesse possono essere stampate a iniezione in un unico passaggio e le dimensioni sono altamente stabili da lotto a lotto, il che è fondamentale per l'allineamento preciso delle due piste in un disco a doppia pista.

La ferrite stampata ad iniezione ha  una resistenza alla temperatura significativamente migliore rispetto ai magneti in gomma . La resistenza al calore dei magneti stampati a iniezione a base di nylon può raggiungere i 120–150°C, molto più elevata dei 60–80°C dei magneti in gomma. In termini di durabilità meccanica, la ferrite stampata a iniezione ha una maggiore durezza superficiale, una maggiore resistenza all'usura e agli urti ed è meno probabile che si sviluppino crepe o danni durante l'uso a lungo termine. Inoltre, essendo un materiale a base di ossido, la ferrite stessa ha un'eccellente resistenza alla corrosione e non richiede ulteriore protezione del rivestimento.

Confronto dei parametri chiave dei due materiali

La logica di selezione è in realtà abbastanza chiara: se l'applicazione persegue  alta precisione, elevata durabilità e un ampio intervallo di temperature , la ferrite stampata ad iniezione è più adatta; se ci sono requisiti più elevati in termini di  flessibilità, leggerezza e controllo dei costi , i magneti in gomma sono la scelta più pragmatica.

4. Strategia di combinazione: corrispondenza del numero di tracce con il materiale

Una volta comprese la struttura del binario e le caratteristiche del materiale, la selezione diventa una decisione a matrice:

• Traccia singola + magnete in gomma : la soluzione più economica, adatta per la misurazione semplice della velocità, il rilevamento della velocità della ventola e scenari simili.

• Ferrite a binario singolo + stampata a iniezione : migliora la durata e l'adattabilità alla temperatura mantenendo i costi controllabili; adatto per applicazioni incrementali in ambienti relativamente difficili, come i sensori di velocità delle ruote automobilistiche.

• Doppio binario + magnete in gomma : bilancia la capacità di posizionamento assoluta e il peso leggero. Il sensore angolare ad alta precisione di NTN utilizza una struttura a doppio binario realizzata in materiale magnetico in gomma, ottenendo una precisione angolare di ±0,1° e una riduzione del peso del 27%.

• Doppio binario + ferrite stampata a iniezione : rivolto agli scenari industriali più esigenti (servomotori, giunti di robot e tavole rotanti di macchine utensili CNC) che richiedono posizionamento assoluto di alta precisione, ampia stabilità di temperatura e affidabilità a lungo termine.

Vale la pena notare che la precisione di un disco a doppia traccia dipende non solo dal materiale ma anche, soprattutto, dalla  precisione della magnetizzazione . La spaziatura tra le due tracce è estremamente ridotta e i tradizionali metodi di magnetizzazione batch sono soggetti a diafonia magnetica, causando la deformazione dei poli magnetici nelle tracce adiacenti. L'approccio leader del settore è la magnetizzazione 'scrittura dati unipolare': come quando si scrivono dati su un disco rigido, le micro testine magnetiche magnetizzano polo per polo in sequenza, migliorando così la precisione dell'allineamento di fase tra le tracce a livello sub-micrometrico.

In ultima analisi, la scelta di un disco codificatore magnetico è un processo di 'corrispondenza dei requisiti'. I dischi a traccia singola risolvono la questione di 'quanto ha ruotato' nel modo più semplice, mentre i dischi a doppia traccia utilizzano due 'righelli' con scale diverse per rispondere alla domanda più fondamentale di 'dove si trova adesso'. I magneti in gomma sono noti per flessibilità ed economia, mentre la ferrite stampata ad iniezione vince con rigidità e precisione. Quando la struttura del binario e le caratteristiche del materiale sono abbinate correttamente, gli encoder magnetici possono offrire le massime prestazioni nell'automazione industriale e nelle apparecchiature intelligenti.