Поређење једноструких и двотрачних магнетних енкодерских дискова

У индустријској аутоматизацији, контроли зглобова робота и новим енергетским моторним системима возила, магнетни енкодери играју све важнију улогу. Путем бесконтактног сензора магнетног поља, они претварају ротационо или линеарно кретање у прецизне електричне сигнале, обезбеђујући систему информације о положају, брзини и правцу. 'Срце' а магнетни енкодер је управо тај наизглед једноставан магнетни диск (магнетни прстен).

Када инжењери почну да бирају компоненте, често се суочавају са неколико неизбежних питања: Која је тачно разлика између једноструких и двотрачних? За које сценарије су погодни гумени магнети и ферити убризгани?

1. Једноструки дискови: довољни, али недовољно „паметни“.

Једноструки магнетни диск има само једну магнетизовану стазу и ради са једним сензором. Израчунава угао ротације тако што даје импулсне сигнале; у суштини, то је инкрементални кодер—може само да вам каже 'колико се ротирао', али не може директно да одреди 'у ком правцу се ротира' или 'у којој се апсолутној позицији тренутно налази'.

Из тог разлога, референтна нулта тачка система са једним колосеком мора бити поново успостављена сваки пут када се укључи. Ако се уређај искључи и поново покрене, све претходне информације о положају се губе.

Међутим, једноструки дискови такође имају незаменљиву вредност: једноставну структуру, изузетно ниску цену и кратак ланац обраде сигнала. Веома су погодни за апликације којима је потребно само мерење брзине и не захтевају правац или апсолутну позицију—као што је детекција брзине вентилатора, једносмерни системи кретања и трошковно осетљива обична контрола мотора.

2. Двоструки дискови: мерење апсолутне позиције помоћу „два лењира“

Основна идеја диска са двоструком стазом је да интегрише две магнетизоване стазе на истом магнету – главну стазу и секундарну стазу (која се обично назива нониусна стаза) – са њиховим бројем парова магнетних полова који се разликују за један, на пример, 64 пара полова упарене са 63 пара полова, или 32 пара полова са 32 пара полова.

Домишљатост овог дизајна лежи у чињеници да, пошто две шине имају различит број парова полова, у било којој угаоној позицији комбинација магнетних поља која генеришу два колосека је јединствена. Чип енкодера очитава фазну разлику између два сигнална канала и, преко принципа нонија (слично логици читања нонијуса), може израчунати тренутну апсолутну угаону позицију унутар 360°—чак и након поновног покретања напајања, тачан положај се може знати у тренутку када се напајање врати, без потребе да се „врати на нулу“.

Побољшања перформанси које доносе двоструке траке су вишедимензионална:

• Скок у резолуцији : Са квадратурним декодирањем, двоканални сигнали могу повећати ефективну резолуцију за фактор 4. За магнетни прстен са 50 парова полова, систем са једним колосеком може да добије само 50 бројања по обртају, док двоканални систем са квадратурним декодирањем може постићи 200 бројања.

• Могућност детекције правца : Редослед фаза два сигнална канала директно одражава смер ротације, без потребе за додатним логичким закључивањем.

• Редундантност отпорна на сметње : Двоканални сигнали могу да верификује једни друге, што олакшава филтрирање погрешних импулса у окружењу вибрација или електромагнетних сметњи, значајно побољшавајући стабилност система.

• Ефикасност простора : У поређењу са коришћењем два једнострука магнетна прстена један поред другог, интегрисана структура са двоструком колосеком може смањити заузетост аксијалног простора за око 30%–40%, што је кључно за апликације осетљиве на запремину као што су зглобови робота.

Наравно, решење са два колосека захтева два сензора и сложеније коло за обраду сигнала, тако да је цена хардвера релативно већа. Међутим, у сценаријима са строгим захтевима за тачност позиционирања, као што су серво системи, зглобови робота и прецизна контрола мотора без четкица, ова инвестиција је вредна труда.

3. Расправа о материјалу: гумени магнети против ферита убризганог

Било да је једноструки или двотрачни, избор материјала подлоге за диск је подједнако важан. Тренутно, два најчешће коришћена материјала за магнетне прстенове енкодера су гумени магнети и бризгани ферит, сваки са посебним карактером.

Гумени магнети: флексибилни „свестрани“

Гумени магнети се праве мешањем феритног магнетног праха са еластомерима као што је нитрилна гума, након чега следи мешање, каландирање и вулканизационо обликовање. Њихова највећа предност лежи у  флексибилности и лакоћи обраде — могу се направити у танке листове или ролне и прилагодити закривљеним или специјално обликованим захтевима за инсталацију, што их чини посебно погодним за просторно ограничене, лагане сценарије.

Магнетне перформансе савремених гумених магнетних енкодера се такође континуирано побољшавају. Оптимизацијом формулације гуме, однос пуњења феритног праха може се додатно повећати, а произвођачи као што је НТН постигли су 25% повећање магнетне силе у поређењу са традиционалним гуменим енкодерима. Магнетни прстенови у Хутцхинсоновој Еласто-Феррите серији могу постићи реманентност до 3500 Г, ширину пола од само 2 мм и толеранцију периода која се контролише унутар 0,05°.

Међутим, гумени магнети такође имају очигледне недостатке:  ограничену температурну отпорност , обично између 60°Ц и 80°Ц, и релативно слабе магнетне перформансе. Погоднији су за мале и средње моторе, аутомобилске АБС сензоре и друге прилике са мање захтевним температурним захтевима.

Ињекционо обликовани ферит: крута „прецизна фракција“

Ињекционо обликовани ферит се прави мешањем магнетног праха стронцијума или баријум ферита са инжењерском пластиком као што је најлон (ПА66) или ППС, а затим се формира бризгањем. Његове основне предности леже у  конзистентности димензија и слободи обликовања — сложени геометријски облици се могу убризгати у једном кораку, а димензије су веома стабилне од серије до серије, што је кључно за прецизно поравнање две траке на диску са две траке.

Ињекциони ферит има  знатно бољу температурну отпорност од гумених магнета . Отпорност на топлоту бризганих магнета на бази најлона може да достигне 120–150°Ц, далеко више од 60–80°Ц гумених магнета. Што се тиче механичке издржљивости, бризгани ферит има већу површинску тврдоћу, већу отпорност на хабање и отпорност на удар, и мања је вероватноћа да ће развити пукотине или оштећења током дуготрајне употребе. Поред тога, као оксидни материјал, сам ферит има одличну отпорност на корозију и не захтева додатну заштиту премаза.

Поређење кључних параметара два материјала

Логика одабира је заправо сасвим јасна: ако апликација тежи  високој прецизности, великој издржљивости и широком температурном опсегу , бризгани ферит је прикладнији; ако постоје већи захтеви за  флексибилношћу, лаганом тежином и контролом трошкова , гумени магнети су прагматичнији избор.

4. Стратегија комбинације: Усклађивање броја стаза са материјалом

Када се разумеју структура стазе и карактеристике материјала, избор постаје одлука у стилу матрице:

• Једноструки + гумени магнет : Најекономичније решење, погодно за једноставно мерење брзине, детекцију брзине вентилатора и сличне сценарије.

• Једноколосечни + бризгани ферит : Побољшава издржљивост и температурну прилагодљивост, док се трошкови могу контролисати; погодан за инкременталне примене у релативно тешким окружењима, као што су сензори брзине точкова аутомобила.

• Двоструки + гумени магнет : Балансира апсолутну способност позиционирања и лагану тежину. НТН-ов високопрецизни сензор угла користи двоструку структуру направљену од гуменог магнетног материјала, постижући угаону тачност од ±0,1° и смањење тежине од 27%.

• Двоструки + бризгани ферит : Намењен најзахтевнијим индустријским сценаријима—серво моторима, зглобовима робота и ротационим столовима за ЦНЦ машине—који захтевају апсолутно позиционирање високе прецизности, стабилност при великим температурама и дугорочну поузданост.

Вреди напоменути да тачност двотрачног диска зависи не само од материјала већ и, што је још важније, од  тачности магнетизације . Размак између две стазе је изузетно мали, а традиционалне методе серијске магнетизације су склоне магнетном преслушавању, што изазива деформацију магнетних полова у суседним стазама. Водећи приступ у индустрији је магнетизација „једнополног писања података“—као што је писање података на чврсти диск, микро магнетне главе магнетизирају пол по пол у низу, чиме се побољшава тачност фазног поравнања између стаза на субмикронски ниво.

У крајњој анализи, избор диска магнетног енкодера је процес „усклађивања захтева“. Једноструки дискови решавају питање „колико се ротирао“ на најједноставнији начин, док двотрачни дискови користе два „лењира“ са различитим размерама да би одговорили на фундаменталније питање „где се сада налази, док су сада познати флексибилни магнети и економичност“ Руб. ферит побеђује ригидношћу и прецизношћу. Када су структура колосека и карактеристике материјала правилно усклађене, магнетни енкодери могу да испоруче максималне перформансе у индустријској аутоматизацији и интелигентној опреми.