Pri navrhovaní kĺbov robotov, servomotorov, systémov kolies AGV a dokonca aj humanoidných robotov, magnetické snímače (Robot Magnetic Encoder Sensors) postupne nahrádzajú tradičné optické snímače ako základné komponenty polohovej a rýchlostnej spätnej väzby. Ich výhody – bezkontaktné meranie, odolnosť voči kontaminácii, odolnosť voči vibráciám a kompaktná štruktúra – viedli k širokému prijatiu v priemyselnej automatizácii a inteligentnej robotike.
Pri konfrontácii s mnohými parametrami a výstupnými rozhraniami snímačov magnetických snímačov na trhu si inžinieri často myslia, že je to mätúce: Je vyššie rozlíšenie vždy lepšie? Aký je vzťah medzi rozlíšením a presnosťou? Ako si vybrať medzi SPI, SSI a ABZ? Tento článok poskytuje pre vývojárov robotov prehľadného sprievodcu výberom týchto troch základných problémov.
1. Rozlíšenie rozlíšenia od presnosti: Vysoké rozlíšenie ≠ vysoká presnosť
Rozlíšenie a presnosť sú dva parametre, ktoré sa najľahšie zamieňajú, ale majú veľmi odlišný význam.
Rozlíšenie sa vzťahuje na najmenšiu uhlovú zmenu, ktorú môže kodér prečítať a vydať, čo odráža 'jemnosť' merania. Absolútne kódovače typicky používajú bity, napr. 14 bitov (16384 krokov/ot.), 17 bitov (131072 krokov/ot.); inkrementálne snímače využívajú impulzy na otáčku (PPR), napr. 1024 PPR. Jednoducho povedané, rozlíšenie určuje, ako jemne môžete rozdeliť celý 360° kruh – čím vyššie sú bity, tým jemnejšie rozdelenie.
Presnosť sa vzťahuje na odchýlku medzi výstupným signálom kódovača a skutočným fyzickým uhlom, čo odráža 'správnosť' merania. Presnosť sa zvyčajne vyjadruje v stupňoch (°) alebo oblúkových minútach (arcmin) a ovplyvňuje ju viacero faktorov: kvalita magnetu, excentricita montáže, teplotný posun, magnetický šum atď. Vo všeobecnosti kvalita magnetického krúžku určuje presnosť, zatiaľ čo čítacia hlava (čip) určuje rozlíšenie a opakovateľnosť.
Existuje spoločné úskalie: vysoké rozlíšenie nemusí nevyhnutne prinášať vysokú presnosť. 14-bitový magnetický kódovač môže rozdeliť jednu otáčku na 16384 krokov, ale ak je presnosť magnetizácie magnetu nízka alebo je excentricita montáže, skutočná presnosť merania môže byť iba ± 1,0 ° s rozlíšením ďaleko presahujúcim presnosť. V extrémnych prípadoch môže byť chyba medzi rozlíšením a presnosťou viac ako 50-násobná. Pri výbere senzora by sa mala uprednostniť špecifikácia kalibrovanej presnosti, a nie jednoduché sledovanie vysokého rozlíšenia.
Ako rozumne prispôsobiť rozlíšenie? Empirický vzorec: Rozlíšenie ≥ 360° ÷ požiadavka na presnosť polohovania. Napríklad, ak je požiadavka na presnosť polohovania ±0,1°, potom rozlíšenie musí byť aspoň 360 ÷ 0,1 = 3600 riadkov (asi 11,8 bitov). V praxi je vhodné ponechať rezervu a zvoliť si o úroveň vyššie, ako je vypočítaná hodnota.
2. Ako zvoliť komunikačné protokoly: ABZ, SPI, SSI Scene Matching
Komunikačný protokol snímača magnetického kódovača priamo ovplyvňuje zložitosť zapojenia, odolnosť voči šumu a výkon v reálnom čase. Možno ich zhruba rozdeliť na prírastkové rozhrania a absolútne rozhrania.
Inkrementálne rozhranie (ABZ) : A/B kvadratúrne impulzné výstupy s 90° fázovým rozdielom na určenie rýchlosti a smeru a Z kanál pre jeden nulový impulz na otáčku. Najväčšie výhody rozhrania ABZ sú dobrá kompatibilita a nízka cena; je to štandardný vstupný formát pre väčšinu servopohonov a PLC. Inkrementálne kódovače si však po vypnutí neuchovávajú informácie o polohe a vyžadujú pri spustení cyklus navádzania. Vhodné pre pohony krokových motorov, meranie rýchlosti dopravníka a iné aplikácie riadenia rýchlosti alebo jednoduchého zisťovania polohy.
Rozhranie SPI : Synchrónne sériové rozhranie, dokáže priamo čítať absolútne hodnoty uhla a tiež podporuje konfiguráciu registra na čipe a diagnostiku magnetického poľa. SPI ponúka vysoký výkon v reálnom čase a jednoduché zapojenie, vďaka čomu je vhodný pre aplikácie ako ovládanie FOC, ktoré vyžadujú rýchle čítanie uhla.
Rozhranie SSI : Priemyselná verzia synchrónneho sériového rozhrania, využívajúca prenos hodín + dátový diferenciál, so silnou odolnosťou voči šumu a prenosovou vzdialenosťou až 100 metrov. SSI podporuje 12 25 bitové rozlíšenie a je hlavným prúdovým rozhraním absolútneho kódovača v priemyselných prostrediach. Vhodné pre absolútne umiestnenie na veľké vzdialenosti v prostredí so silným elektromagnetickým rušením.
Sprievodca rýchlym výberom :
· Krátka vzdialenosť, nízke náklady, orientácia na riadenie rýchlosti → ABZ jednostranné rozhranie
· Veľká vzdialenosť, vysoké rušenie, požadovaná absolútna poloha → Diferenciálne rozhranie ABZ alebo SSI
· Vysoká presnosť, nie je potrebné navádzanie, ovládanie FOC → absolútne rozhranie SPI/SSI/I²C
3. Odporúčania na výber pre tri základné aplikácie robotov
3.1 kĺby robotov (kolaboratívne roboty, humanoidné roboty)
Robotické spoje vyžadujú od kódovača najvyššiu presnosť, rozlíšenie a spoľahlivosť. Typicky sa vyberajú absolútne kódovače využívajúce technológiu TMR alebo AMR. Odporúčané rozlíšenie je 18 bitov alebo vyššie, pričom presnosť nie je horšia ako ±0,05°. Pre komunikáciu môže rozhranie SPI komunikovať priamo s čipom spoločného ovládača, ktorý je vhodný na riadenie FOC v reálnom čase. Vzhľadom na kompaktný priestor v spojoch robotov by mali byť uprednostňované malé obalové produkty (napr. QFN 3×3 mm), ktoré sa používajú s radiálne magnetizovanými magnetmi NdFeB.
3.2 Systémy kolies AGV/AMV
Snímače kolies AGV sa používajú hlavne na riadenie rýchlosti v uzavretej slučke a na meranie kilometrov. Požiadavky na rozlíšenie sú mierne (stačí 14-17 bitov), ale rozhodujúca je prispôsobivosť prostredia a spoľahlivosť. Pretože AGV často pracujú v prašnom, vlhkom prostredí, odolnosť magnetických kódovačov voči kontaminácii je jasnou výhodou. Rozhranie ABZ je možné použiť na priame pripojenie k pohonu motora, alebo rozhranie SSI pre väčšie prenosové vzdialenosti.
3.3 Servomotory (priemyselná automatizácia)
Servomotory vyžadujú vysoké rozlíšenie na zlepšenie hladkosti a dynamickej tuhosti pri nízkych rýchlostiach a dostatočnú presnosť na zabezpečenie správnosti polohovania. Odporúčané rozlíšenie začína na 15-17 bitoch, s presnosťou lepšou ako ±0,1°. Pre komunikáciu sa absolútne rozhrania stali hlavnou voľbou pre špičkové servá. Rozhrania SSI alebo BiSS zaisťujú stabilný prenos v priemyselných prostrediach so silným elektromagnetickým rušením.
4. Úskalia, ktorým sa treba vyhnúť po výbere
Aj keď sú parametre výberu správne, praktické aplikácie sa môžu stretnúť s nasledujúcimi problémami:
· Presnosť montáže : Excentricita medzi magnetom a čipom musí byť prísne kontrolovaná, zvyčajne ≤0,3 mm, s axiálnou medzerou 0,5-1,5 mm. Prekročenie týchto limitov prináša ďalšie nelineárne chyby.
· Elektromagnetické rušenie : Silné EMI z motorov, meničov atď. je hlavnou príčinou skreslenia signálu. Odporúčajú sa diferenciálne výstupné rozhrania kombinované s krútenými pármi tienených káblov (na jednom konci uzemnené tienenie).
· Prispôsobivosť prostrediu : Pre aplikácie s nepretržitým ponorením do vody alebo kondenzáciou vysokej vlhkosti si vyberte produkty s krytím IP67 alebo vyšším. Priemyselná kvalita zvyčajne vyžaduje rozsah prevádzkových teplôt od -40 °C do +85 °C.
5. Senzory magnetického kódovača robota SDM
V procese domácej výroby magnetických kódovačov sa SDM vydalo diferencovanou technologickou cestou vo výrobe. Hlavné výhody ich robotických magnetických snímačov kódovania sa odrážajú v nasledujúcich troch oblastiach:
Integrovaný proces vstrekovania : SDM používa proces vstrekovania na výrobu magnetických materiálov a technických plastov v jednom zábere, čím nahrádza tradičný viacdielny montážny proces. Integrácia vstrekovaním ponúka významné výhody: krátky procesný tok, nízku spotrebu energie, málo tvarových obmedzení, vysokú efektivitu výroby a dobrú rozmerovú presnosť. Tento proces výrazne zlepšuje rozmerovú konzistenciu a mechanickú pevnosť magnetického krúžku kódovača, čím sa vytvára základ pre následnú konzistentnosť magnetického výkonu.
Magnetizačná technológia magnetickej tlače : Vo fáze magnetizácie využíva SDM vysoko presnú technológiu „magnetickej tlače“ – písanie pólových vzorov bod po bode. V porovnaní s konvenčnou hromadnou magnetizáciou to výrazne zlepšuje presnosť polohy pólov a rovnomernosť magnetického poľa. Procesy magnetizácie s vysokým počtom pólov a vysokou presnosťou vyžadujú extrémne presné vybavenie a nástroje; musia byť dokončené na špecializovaných viacpólových magnetizačných prípravkoch s presným usporiadaním a vysoko intenzívnymi pulznými magnetickými poľami. Nahromadené odborné znalosti spoločnosti SDM v tejto oblasti umožňujú ich snímačom magnetického kódovania dosiahnuť vysokú úroveň presnosti delenia pólov.
Úplná kontrola tvaru vlny : Na rozdiel od väčšiny domácich výrobcov magnetických kódovačov, ktorí sa spoliehajú na kontrolu odberu vzoriek, SDM vykonáva úplnú kontrolu tvaru vlny na každom snímači predtým, ako opustí továreň. Každý produkt prechádza skenovaním kriviek signálu vo viacerých prevádzkových podmienkach, ktoré pokrývajú všetky ukazovatele výkonu: chyba medzipólového uhla, kolísanie intenzity magnetického poľa, skreslenie signálu atď. Úplná kontrola znamená, že každý senzor, ktorý zákazník dostane, bol individuálne overený skutočným meraním, čo zaisťuje lepšiu konzistenciu a spoľahlivosť produktu – kritická výhoda v aplikáciách, ako sú spoje robotov, kde je spoľahlivosť senzorov prvoradá.
Od vstrekovanej integrácie na zaistenie mechanického základu magnetického krúžku, po magnetizáciu magnetickej tlače na zaistenie elektrickej presnosti magnetických pólov a nakoniec až po úplnú kontrolu tvaru vĺn, aby sa zaručila výstupná kvalita každého produktu – úplný proces uzavretej slučky SDM zaisťuje úplnú reťazovú ovládateľnosť každého snímača magnetického kódovača od materiálu až po hotový výrobok, čo používateľom poskytuje vysokú konzistenciu a vysokú spoľahlivosť výberu domácich magnetických kódovačov.
