ロボットの関節、サーボモーター、AGVホイールシステム、さらには人型ロボットの設計においても、 磁気エンコーダ (ロボット磁気エンコーダ センサー) は、位置および速度フィードバック用のコア コンポーネントとして、従来の光学式エンコーダに徐々に置き換えられています。非接触測定、耐汚染性、耐振動性、コンパクトな構造などの利点により、産業オートメーションやインテリジェントロボット工学で広く採用されています。
市場にある磁気エンコーダ センサーの多数のパラメータと出力インターフェイスに直面すると、エンジニアはよく混乱することがあります。解像度は常に高いほうが良いのでしょうか?解像度と精度の間にはどのような関係がありますか? SPI、SSI、ABZ の中からどのように選択しますか?この記事では、ロボット開発者向けに、これら 3 つの主要な問題に関する明確な選択ガイドを提供します。
1. 解像度と精度の区別: 高解像度 ≠ 高精度
解像度と精度は最も混同されやすい 2 つのパラメータですが、意味は大きく異なります。
分解能は 、エンコーダが読み取り、出力できる最小の角度変化を指し、測定の「細かさ」を反映します。絶対値エンコーダは通常、14 ビット (16384 ステップ/回転)、17 ビット (131072 ステップ/回転) などのビットを使用します。インクリメンタル エンコーダは、1024 PPR などの 1 回転あたりのパルス数 (PPR) を使用します。簡単に言えば、解像度は 360° の円全体をどの程度細かく分割できるかを決定します。ビットが大きいほど、分割は細かくなります。
精度とは 、エンコーダの出力信号と実際の物理角度との偏差を指し、測定の「正確さ」を反映します。精度は通常、度 (°) または分角 (arcmin) で表され、磁石の品質、取り付けの偏心、温度ドリフト、磁気ノイズなどの複数の要因の影響を受けます。一般に、磁気リングの品質が精度を決定し、リードヘッド (チップ) が分解能と再現性を決定します。
よくある落とし穴があります。それは、高解像度が必ずしも高精度をもたらすわけではないということです。 14 ビット磁気エンコーダは 1 回転を 16384 ステップに分割できますが、磁石の着磁精度が悪い場合や取り付けの偏心がある場合、実際の測定精度は ±1.0° にとどまり、分解能は精度をはるかに超えます。極端な場合には、分解能と精度の間の誤差が 50 倍を超えることもあります。センサーを選択するときは、単に高解像度を追求するのではなく、校正された精度仕様を優先する必要があります。
解像度を合理的に一致させるにはどうすればよいでしょうか?経験式: 分解能 ≥ 360° ÷ 位置決め精度要件。たとえば、位置決め精度要件が±0.1°の場合、分解能は少なくとも 360 ÷ 0.1 = 3600 ライン (約 11.8 ビット) である必要があります。実際には、余裕を持たせて計算値より 1 つ上のレベルを選択することをお勧めします。
2. 通信プロトコルの選択方法: ABZ、SPI、SSI シーンマッチング
磁気エンコーダ センサーの通信プロトコルは、配線の複雑さ、ノイズ耐性、リアルタイム パフォーマンスに直接影響します。大きく分けてインクリメンタルインターフェースとアブソリュートインターフェースに分けられます。
インクリメンタル インターフェイス (ABZ) : 速度と方向を決定する 90° 位相差を備えた A/B 直交パルス出力、および 1 回転あたり 1 つのゼロ パルス用の Z チャネル。 ABZ インターフェイスの最大の利点は、優れた互換性と低コストです。これは、ほとんどのサーボ ドライブおよび PLC の標準入力形式です。ただし、インクリメンタル エンコーダは電源オフ後は位置情報を保持しないため、起動時に原点復帰サイクルが必要です。ステッピング モーター ドライブ、コンベア速度測定、その他の速度制御または単純な位置検出アプリケーションに適しています。
SPI インターフェイス : 同期シリアル インターフェイス。絶対角度値を直接読み取ることができ、オンチップ レジスタ設定と磁界診断もサポートします。 SPI は高いリアルタイム性能とシンプルな配線を提供するため、高速角度読み取りが必要な FOC 制御などのアプリケーションに適しています。
SSI インターフェイス : クロック + データの差動伝送を使用する同期シリアル インターフェイスの産業用バージョンで、強力なノイズ耐性と最大 100 メートルの伝送距離を備えています。 SSI は 12 25 ビットの解像度をサポートしており、産業環境における主流のアブソリュート エンコーダ インターフェイスです。強い電磁干渉環境での長距離にわたる絶対位置決めに適しています。
クイック選択ガイド :
・ 短距離、低コスト、速度制御重視 → ABZシングルエンドインターフェース
・ 長距離、高干渉、絶対位置が必要 → 差動ABZまたはSSIインターフェース
・ 高精度、原点復帰不要、FOC制御→SPI/SSI/I²Cアブソリュートインターフェース
3. 3 つのコアロボットアプリケーションの選択に関する推奨事項
3.1 ロボットの関節（協働ロボット、ヒューマノイドロボット）
ロボットのジョイントでは、エンコーダーに最高の精度、分解能、信頼性が求められます。通常は、TMR または AMR テクノロジーを使用したアブソリュート エンコーダが選択されます。推奨分解能は 18 ビット以上で、精度は ±0.05° 以下です。通信については、SPI インターフェイスはジョイント ドライバー チップと直接通信でき、高リアルタイム FOC 制御に適しています。また、ロボット関節内のスペースがコンパクトであるため、放射状に磁化された NdFeB 磁石を使用する小型パッケージ製品 (例: QFN 3×3 mm) を優先する必要があります。
3.2 AGV/AMV ホイール システム
AGV ホイール エンコーダは、主に速度閉ループ制御とオドメトリに使用されます。解像度要件は中程度 (14 ～ 17 ビットで十分) ですが、環境への適応性と信頼性が重要です。 AGV はほこりの多い湿気の多い環境で動作することが多いため、磁気エンコーダの耐汚染性は明らかな利点です。 ABZ インターフェースを使用してモータードライバーに直接接続することも、SSI インターフェースを使用して伝送距離を長くすることもできます。
3.3 サーボモーター (産業オートメーション)
サーボ モーターには、低速の滑らかさと動的剛性を向上させるための高分解能と、位置決めの正確さを保証するための十分な精度の両方が必要です。推奨される分解能は 15 ～ 17 ビットで、精度は ±0.1° より優れています。ハイエンドサーボでは、通信に関してはアブソリュートインターフェースが主流となっています。 SSI または BiSS インターフェイスは、強い電磁干渉のある産業環境でも安定した伝送を保証します。
4. 選択後に避けるべき落とし穴
選択パラメータが正しい場合でも、実際のアプリケーションでは次の問題が発生する可能性があります。
· 取り付け精度 : 磁石とチップ間の偏心は厳密に管理する必要があり、典型的には ≤ 0.3 mm、アキシャル ギャップは 0.5 ～ 1.5 mm です。これらの制限を超えると、追加の非線形エラーが発生します。
· 電磁妨害 : モーター、インバーターなどからの強力な EMI は、信号歪みの主な原因です。差動出力インターフェイスとツイストペア シールド ケーブル (一端でシールドが接地されている) を組み合わせることが推奨されます。
・ 環境適応性 ：継続的に浸水する用途や高湿の結露が発生する用途には、保護等級IP67以上の製品をお選びください。工業用グレードでは通常、-40°C ～ +85°C の動作温度範囲が必要です。
5. SDMロボット磁気エンコーダセンサー
SDMは、磁気エンコーダを国内で製造する過程で、製造において差別化された技術的道を歩んできました。同社のロボット磁気エンコーダ センサーの主要な利点は、次の 3 つの領域に反映されています。
射出成形統合プロセス : SDM は射出成形プロセスを使用して、磁性材料とエンジニアリング プラスチックをワン ショットで成形し、従来の複数部品の組み立てプロセスを置き換えます。射出成形による一体化には、短いプロセスフロー、低エネルギー消費、形状制限の少なさ、高い生産効率、良好な寸法精度といった大きな利点があります。このプロセスにより、エンコーダ磁気リングの寸法の一貫性と機械的強度が大幅に向上し、その後の磁気性能の一貫性の基礎が築かれます。
磁気印刷着磁技術 ：SDMは着磁段階で、磁極パターンを1点ずつ書き込む高精度の「磁気印刷」技術を採用しています。従来のバルク磁化と比較して、磁極位置精度と磁場の均一性が大幅に向上します。多極数、高精度の磁化プロセスには、非常に精密な装置と工具が必要です。これらは、正確な配置と高強度のパルス磁場を備えた専用の多極磁化治具上で完了する必要があります。この分野で SDM が蓄積した専門知識により、磁気エンコーダ センサは高レベルの極分割精度を達成できます。
完全な波形検査 : サンプリング検査に依存しているほとんどの国内磁気エンコーダ メーカーとは異なり、SDM は工場出荷前にすべてのセンサーの完全な波形検査を実行します。各製品は複数の動作条件下で信号波形のスキャンを実施し、すべての性能指標（極間角度誤差、磁界強度変動、信号歪みなど）をカバーします。完全検査とは、顧客が受け取るすべてのセンサーが実際の測定によって個別に検証されていることを意味し、より優れた製品の一貫性と信頼性を確保します。これは、センサーの信頼性が最重要視されるロボット関節などのアプリケーションでは重要な利点です。
磁気リングの機械的基準を保証する射出成形による統合から、磁極の電気的精度を保証する磁気印刷着磁、そして最終的に各製品の出荷品質を保証する完全な波形検査に至るまで、SDM の完全なプロセス閉ループは、材料から最終製品に至るすべての磁気エンコーダ センサーのフルチェーン制御性を確保し、ユーザーに一貫性と信頼性の高い国産磁気エンコーダの選択肢を提供します。
