Сравнение однодорожечных и двухдорожечных магнитных энкодеров

В промышленной автоматизации, совместном управлении роботами и новых энергетических системах транспортных средств магнитные энкодеры играют все более важную роль. Посредством бесконтактного измерения магнитного поля они преобразуют вращательное или линейное движение в точные электрические сигналы, предоставляя системе информацию о положении, скорости и направлении. «Сердце» Магнитный энкодер – это и есть тот самый, казалось бы, простой магнитный диск (магнитное кольцо).

Когда инженеры начинают выбирать компоненты, они часто сталкиваются с несколькими неизбежными вопросами: в чем именно разница между однопутным и двухпутевым? Для каких сценариев подходят резиновые магниты и литые ферриты соответственно?

1. Однодорожечные диски: достаточно, но недостаточно «умно»

Однодорожечный магнитный диск имеет только одну намагниченную дорожку и работает с одним датчиком. Он рассчитывает угол поворота, выдавая импульсные сигналы; по сути, это инкрементальный энкодер: он может только сказать вам, «насколько он повернулся», но не может напрямую определить, «в каком направлении он вращается» или «в каком абсолютном положении он находится в данный момент».

По этой причине исходная нулевая точка однопутной системы должна восстанавливаться каждый раз при ее включении. Если устройство выключить и перезапустить, вся информация о предыдущем местоположении будет потеряна.

Однако однодорожечные диски имеют и незаменимую ценность: простую структуру, чрезвычайно низкую стоимость и короткую цепочку обработки сигнала. Они очень подходят для приложений, которые требуют только измерения скорости и не требуют направления или абсолютного положения, например, для определения скорости вращения вентилятора, систем однонаправленного движения и экономичного обычного управления двигателем.

2. Двухпутевые диски: измерение абсолютного положения с помощью «двух линеек».

Основная идея двухдорожечного диска заключается в объединении двух намагниченных дорожек на одном и том же магните — основной дорожки и вторичной дорожки (обычно называемой нониусной дорожкой) — с количеством пар магнитных полюсов, отличающихся на единицу, например, 64 пары полюсов в паре с 63 парами полюсов или 32 пары полюсов в паре с 31 парой полюсов.

Изобретательность этой конструкции заключается в том, что, поскольку две дорожки имеют разное количество пар полюсов, в любом угловом положении комбинация магнитных полей, генерируемых двумя дорожками, уникальна. Чип энкодера считывает разность фаз между двумя сигнальными каналами и, используя принцип нониуса (аналогично логике считывания штангенциркуля), может рассчитать текущее абсолютное угловое положение в пределах 360° — даже после перезапуска при отключении питания точное положение может быть известно в момент восстановления мощности, без необходимости «возврата к нулю».

Улучшения производительности, обеспечиваемые двойными дорожками, многоплановые:

• Скачок разрешения : при квадратурном декодировании двухканальные сигналы могут увеличить эффективное разрешение в 4 раза. Для магнитного кольца с 50 парами полюсов однодорожечная система может получить только 50 отсчетов за оборот, тогда как двухдорожечная система с квадратурным декодированием может достичь 200 отсчетов.

• Возможность определения направления : последовательность фаз двух сигнальных каналов напрямую отражает направление вращения без необходимости дополнительных логических выводов.

• Помехоустойчивое резервирование : двухканальные сигналы могут проверять друг друга, что упрощает фильтрацию ошибочных импульсов в условиях вибрации или электромагнитных помех, что значительно повышает стабильность системы.

• Экономия места : по сравнению с использованием двух однопутных магнитных колец, расположенных рядом, интегрированная двухпутевая конструкция может уменьшить занимаемое по осям пространство примерно на 30–40 %, что имеет решающее значение для чувствительных к объему приложений, таких как соединения роботов.

Конечно, двухпутевое решение требует двух датчиков и более сложной схемы обработки сигналов, поэтому стоимость оборудования относительно выше. Однако в сценариях со строгими требованиями к точности позиционирования, таких как сервосистемы, соединения роботов и прецизионное управление бесщеточными двигателями, эти инвестиции оправданы.

3. Дебаты о материалах: резиновые магниты против феррита, полученного литьем под давлением.

Независимо от того, однодорожечный или двухдорожечный, выбор материала подложки для диска одинаково важен. В настоящее время двумя наиболее часто используемыми материалами для магнитных колец энкодера являются резиновые магниты и феррит, отлитый под давлением, каждый из которых имеет свой собственный характер.

Резиновые магниты: гибкие «универсалы»

Резиновые магниты изготавливаются путем смешивания ферритового магнитного порошка с эластомерами, такими как нитриловый каучук, с последующим компаундированием, каландрированием и вулканизацией. Их самое большое преимущество заключается в  гибкости и простоте обработки : их можно изготовить в виде тонких листов или рулонов и адаптировать к требованиям установки изогнутой или специальной формы, что делает их особенно подходящими для легких и ограниченных по пространству сценариев.

Магнитные характеристики современных резиновых магнитных энкодеров также постоянно улучшаются. За счет оптимизации состава резины можно еще больше увеличить коэффициент заполнения ферритовым порошком, а такие производители, как NTN, добились увеличения магнитной силы на 25% по сравнению с традиционными резиновыми энкодерами. Магнитные кольца серии Elasto-Ferrite компании Hutchinson могут достигать остаточной намагниченности до 3500 Гс, ширины полюса всего 2 мм и допуска по периоду, контролируемого в пределах 0,05°.

Однако резиновые магниты имеют и очевидные недостатки:  ограниченную термостойкость , обычно от 60°C до 80°C, и относительно слабые магнитные характеристики. Они больше подходят для двигателей малой и средней мощности, автомобильных датчиков ABS и других случаев с менее строгими температурными требованиями.

Литой феррит: жесткая «прецизионная фракция»

Феррит, отлитый под давлением, изготавливается путем смешивания магнитного порошка феррита стронция или бария с конструкционными пластиками, такими как нейлон (PA66) или PPS, а затем формования его путем литья под давлением. Его основные преимущества заключаются в  постоянстве размеров и свободе формования : сложные геометрические формы могут быть отлиты под давлением за один этап, а размеры очень стабильны от партии к партии, что имеет решающее значение для точного выравнивания двух дорожек в двухдорожечном диске.

Феррит, отлитый под давлением, имеет  значительно лучшую термостойкость, чем резиновые магниты . Теплостойкость магнитов на основе нейлона, отлитых под давлением, может достигать 120–150 ° C, что намного выше, чем 60–80 ° C резиновых магнитов. Что касается механической прочности, феррит, полученный литьем под давлением, имеет более высокую поверхностную твердость, более высокую износостойкость и ударопрочность, а также менее склонен к образованию трещин или повреждений при длительном использовании. Кроме того, как оксидный материал, феррит сам по себе обладает отличной коррозионной стойкостью и не требует дополнительной защиты покрытием.

Сравнение основных параметров двух материалов

Логика выбора на самом деле совершенно ясна: если применение требует  высокой точности, высокой долговечности и широкого температурного диапазона , то феррит, полученный литьем под давлением, более подходит; Если есть более высокие требования к  гибкости, легкости и контролю затрат , резиновые магниты являются более прагматичным выбором.

4. Стратегия комбинирования: сопоставление количества дорожек с материалом

Как только структура гусеницы и характеристики материала понятны, выбор становится матричным решением:

• Однодорожечный + резиновый магнит : наиболее экономичное решение, подходящее для простого измерения скорости, определения скорости вращения вентилятора и подобных сценариев.

• Однодорожечный + литой феррит : повышает долговечность и адаптируемость к температуре, сохраняя при этом расходы под контролем; подходит для дополнительных применений в относительно суровых условиях, таких как датчики скорости автомобильных колес.

• Двойная направляющая + резиновый магнит : балансирует возможность абсолютного позиционирования и легкий вес. В высокоточном датчике угла NTN используется двухпутевая конструкция из резинового магнитного материала, обеспечивающая угловую точность ±0,1° и снижение веса на 27%.

• Двухколейный + литой феррит : предназначен для самых требовательных промышленных сценариев — серводвигателей, роботизированных соединений и поворотных столов станков с ЧПУ — требующих высокоточного абсолютного позиционирования, стабильности в широком диапазоне температур и долгосрочной надежности.

Стоит отметить, что точность двухдорожечного диска зависит не только от материала, но и, что более важно, от  точности намагничивания . Расстояние между двумя дорожками чрезвычайно мало, а традиционные методы пакетного намагничивания склонны к магнитным перекрестным помехам, вызывающим деформацию магнитных полюсов соседних дорожек. Ведущим в отрасли подходом является намагничивание «однополюсной записи данных». Подобно записи данных на жесткий диск, микромагнитные головки намагничивают полюс за полюсом последовательно, тем самым улучшая точность выравнивания фаз между дорожками до субмикронного уровня.

В конечном счете, выбор диска магнитного энкодера представляет собой процесс «сопоставления требований». Однодорожечные диски решают вопрос «насколько он провернулся» самым простым способом, в то время как двухдорожечные диски используют две «линейки» с разными масштабами, чтобы ответить на более фундаментальный вопрос «где он находится сейчас». Резиновые магниты известны своей гибкостью и экономичностью, тогда как отлитый под давлением феррит выигрывает в жесткости и точности. При правильном согласовании структуры пути и характеристик материала магнитные энкодеры могут обеспечить максимальную производительность в промышленной автоматизации и интеллектуальном оборудовании.