คู่ขั้วแม่เหล็ก: มีมากเกินไปก็สิ้นเปลือง มีน้อยไปก็ไม่เพียงพอ—ขีดจำกัดในการเลือกจานเฟอร์ไรต์แบบฉีดขึ้นรูปอยู่ที่ไหน

เมื่อทำการเลือก ดิสก์ตัวเข้ารหัสแม่เหล็ก สัญชาตญาณทั่วไปคือ ยิ่งจำนวนขั้วคู่ยิ่งสูง ความละเอียดก็จะยิ่งสูงขึ้นและประสิทธิภาพก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ในระดับเซ็นเซอร์ การตัดสินนี้มีผลใช้ได้ในวงกว้าง แต่เมื่อวัสดุแม่เหล็กได้รับการแก้ไขเป็นเฟอร์ไรต์แบบฉีดขึ้นรูป สถานการณ์ก็จะยิ่งเหมาะสมยิ่งขึ้น เพดานประสิทธิภาพแม่เหล็กของเฟอร์ไรต์ที่ขึ้นรูปด้วยการฉีด ขีดจำกัดกระบวนการของการทำให้เป็นแม่เหล็กแบบหลายขั้ว และข้อเท็จจริงที่มองข้ามได้ง่ายว่า 'ความละเอียด ≠ ความแม่นยำ' ร่วมกันวาดเส้นโค้งการเลือกที่ไม่เพียง 'ยิ่งสูงเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น'

ขั้นแรก ชี้แจงหลักฐาน: ความละเอียดไม่เท่ากับความแม่นยำ

เอกสารการใช้งาน TI ให้ความสัมพันธ์ที่กระชับ: เมื่อใช้สลักฮอลล์เดี่ยว พัลส์ต่อการปฏิวัติจะเท่ากับจำนวนคู่ขั้วของแม่เหล็ก เมื่อใช้สลักฮอลล์สองตัวในการถอดรหัสการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส จำนวนต่อการปฏิวัติจะเป็นสองเท่าของจำนวนขั้ว จากมุมมองของ 'การไล่ระดับ' คู่ขั้วจะกำหนดขั้นตอนเชิงมุมที่เล็กที่สุดที่ระบบสามารถแก้ไขได้โดยตรง

แต่คำเตือนจากโครงการตัวเข้ารหัสแม่เหล็กแบบโอเพ่นซอร์สสมควรได้รับความสนใจจากตัวเลือกทุกตัว: 'ความละเอียด != ความแม่นยำ'—คุณสามารถรับความละเอียดทางทฤษฎีที่ 0.017°/ขั้น ที่ระยะพิทช์ระหว่างขั้ว 2.4 มม. แต่ขั้นตอนเหล่านี้ไม่ได้ถูกแมปอย่างสม่ำเสมอรอบเส้นรอบวง กล่าวอีกนัย  หนึ่ง คู่ขั้วจะกำหนด 'การไล่ระดับได้ละเอียดเพียงใด' ไม่ใช่ 'การไล่ระดับได้แม่นยำแค่ไหน'  ข้อผิดพลาดเชิงมุมมาจากความสม่ำเสมอของระยะพิตช์ของขั้ว ความคมชัดของขอบเขตแม่เหล็ก ความเยื้องศูนย์กลางของการติดตั้งเซ็นเซอร์ และความสม่ำเสมอของวัสดุของตัวแม่เหล็กเอง คู่โพลไม่ได้กำจัดข้อผิดพลาดเหล่านี้ แต่อาจขยายสัญญาณเหล่านี้เมื่อจำนวนคู่ขั้วเพิ่มขึ้น

'เพดานประสิทธิภาพแม่เหล็ก' ของเฟอร์ไรต์ฉีดขึ้นรูป

การวางตำแหน่งของเฟอร์ไรต์แบบฉีดมีความชัดเจน: ฉีดขึ้นรูปจากผงเฟอร์ไรต์ (โดยปกติคือเฟอร์ไรต์สตรอนเซียม) รวมกับเมทริกซ์โพลีเมอร์ เช่น ไนลอน PA12/PA6 ข้อดีของมันอยู่ที่การขึ้นรูปแบบบูรณาการของรูปทรงที่ซับซ้อน ความสม่ำเสมอของมิติที่ดี ความต้านทานการกัดกร่อน และต้นทุนต่ำ แต่ประสิทธิภาพของแม่เหล็กนั้นอยู่ในระดับต่ำในบรรดาวัสดุแม่เหล็กตัวเข้ารหัสที่ใช้กันทั่วไป

ในแง่ของข้อมูลเฉพาะ ค่า Br การเหนี่ยวนำที่เหลือของเฟอร์ไรต์ที่ขึ้นรูปด้วยการฉีดมีค่าประมาณ  1.7–3.0 kGs ค่าแรงบีบบังคับที่แท้จริง Hci อยู่ที่ประมาณ  2.3–4.0 kOe และผลิตภัณฑ์พลังงานสูงสุด BHmax คือประมาณ  1–2.2 MGOe สำหรับการอ้างอิง Br ของ NdFeB ที่ถูกพันธะโดยทั่วไปจะอยู่ที่  4.5–7.5 kGs และ BHmax สามารถเข้าถึง  5–8 MGOe  หรือสูงกว่านั้นก็ได้ ซึ่งหมายความว่า ภายใต้ช่องว่างอากาศของเซ็นเซอร์และเกณฑ์การตรวจจับเดียวกัน 'ความแรงของสัญญาณ' ที่เฟอร์ไรต์ที่ฉีดขึ้นรูปสามารถให้ได้นั้นอ่อนแอกว่าระบบ NdFeB อย่างเห็นได้ชัด

ข้อมูลสนามแม่เหล็กพื้นผิวหลังจากการดึงดูดด้วยแม่เหล็กแบบหลายขั้วยังแสดงให้เห็นข้อจำกัดเพิ่มเติม: สนามแม่เหล็กพื้นผิวของวงแหวนแม่เหล็กหลายขั้วเฟอร์ไรต์แบบฉีดขึ้นรูปที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในผนังบางมีค่าประมาณ  600–1100 Gs ในขณะที่เฟอร์ไรต์เผาแบบแอนไอโซทรอปิกสามารถให้ค่าที่สูงกว่าได้ เมื่อจำนวนคู่ขั้วเพิ่มขึ้นและความกว้างส่วนโค้งของแต่ละขั้วแคบลง 'พื้นที่' ที่มีอยู่สำหรับการสร้างสนามแม่เหล็กหดตัว ผลกระทบของขอบและการทับซ้อนของสนามแม่เหล็กระหว่างขั้วจะมีนัยสำคัญมากขึ้น และอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนจะลดลงอีก  นี่ไม่ใช่ปัญหาที่สามารถแก้ไขได้โดยการปรับกระแสของแมกนีไทเซอร์ แต่เป็นขีดจำกัดบนแบบอ่อนที่กำหนดโดยผลคูณพลังงานของวัสดุกับจำนวนขั้วคู่

ข้อจำกัดทางเรขาคณิตระหว่างระยะห่างระหว่างขั้ว ความหนา และคู่ขั้ว

ความสัมพันธ์เชิงประจักษ์ที่ให้ไว้ในสิทธิบัตรของยุโรปนั้นค่อนข้างให้คำแนะนำ: ความหนาขององค์ประกอบที่สามารถดึงดูดแม่เหล็กได้ควรอยู่ที่ประมาณ  1.25 เท่าของระยะพิทช์ของขั้ว  (±25%) ซึ่งสอดคล้องกับช่วงความหนาประมาณ 0.3–1.5 มม. ระยะห่างระหว่างขั้วอยู่ที่  0.25–1.25 มม . ข้อจำกัดทางเรขาคณิตนี้เชื่อมโยงจำนวนคู่ขั้วกับเส้นผ่านศูนย์กลางจาน: สำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางที่กำหนด ยิ่งจำนวนคู่ขั้วสูงเท่าใด ระยะพิทช์ของขั้วก็จะน้อยลง และความหนาของแม่เหล็กที่ต้องการก็จะยิ่งบางลง

สำหรับเฟอร์ไรต์ที่ฉีดขึ้นรูป การทำให้ผนังบางลงจะยิ่งบีบอัดฟลักซ์แม่เหล็กที่มีประสิทธิผล ในเวลาเดียวกัน เมื่อระยะพิทช์ของขั้วลดลงเหลือระดับต่ำกว่ามิลลิเมตร หน้าต่างพิกัดความเผื่อสำหรับความแม่นยำของหัวขั้วฟิกซ์เจอร์แม่เหล็กและการออกแบบวงจรแม่เหล็กจะแคบลงอย่างรวดเร็ว วัสดุอุตสาหกรรมชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนว่า ยิ่งจำนวนขั้วสูง ความกว้างของส่วนโค้งของขั้วเดี่ยวก็จะยิ่งน้อยลง และข้อกำหนดสำหรับความแม่นยำของหัวเสาและการออกแบบวงจรแม่เหล็กก็จะยิ่งสูงขึ้น ปัญหาต่างๆ เช่น  ความอิ่มตัวต่ำที่ปลายขั้ว การบิดเบือนของสนามแม่เหล็ก และการเปลี่ยนตำแหน่งศูนย์ระหว่างขั้ว  จะปรากฏขึ้น

สิ่งนี้อธิบายว่าทำไมข้อกำหนดทั่วไปของวงแหวนแม่เหล็กตัวเข้ารหัสเฟอร์ไรต์ที่ฉีดขึ้นรูปในตลาดจึงกระจุกตัวอยู่ที่ตำแหน่งต่างๆ เช่น  เสา 62/64 และเสา 126/128 แทนที่จะซ้อนกันขึ้นไปอย่างไม่มีกำหนด ตำแหน่งเหล่านี้คือจุดสมดุลที่ได้รับการผสานรวมทางวิศวกรรมระหว่างประสิทธิภาพของวัสดุ กระบวนการแม่เหล็ก และต้นทุน

ตรรกะการเลือก: ย้อนกลับจาก 'ต้องใช้ค่าปรับมากน้อยเพียงใด' ไปจนถึง 'สามารถปรับได้สูงแค่ไหน'

เส้นทางการเลือกในทางปฏิบัติควรกลับกัน:  ขั้นแรกให้กำหนดความละเอียดที่ระบบต้องการอย่างแท้จริง จากนั้นประเมินว่าเฟอร์ไรต์ที่ขึ้นรูปด้วยการฉีดสามารถให้คุณภาพสัญญาณที่ใช้งานได้ที่จำนวนขั้วคู่นั้นหรือไม่

ช่วงขั้วคู่ต่ำ (4–12 ขั้ว):  ความยาวส่วนโค้งของขั้วเดี่ยวมีขนาดใหญ่ และฟลักซ์แม่เหล็กก็เพียงพอ ดังนั้นข้อบกพร่องของสนามแม่เหล็กอ่อนของเฟอร์ไรต์ที่ขึ้นรูปด้วยการฉีดจึงได้รับการชดเชยด้วยขนาดทางเรขาคณิต กลุ่มผลิตภัณฑ์นี้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ไม่ต้องการความละเอียดที่เข้มงวด แต่ต้องการต้นทุนต่ำและความสม่ำเสมอที่ดี เช่น มอเตอร์พัดลม มาตรวัดน้ำอัจฉริยะ และ BLDC ของเครื่องใช้ไฟฟ้า ในการใช้งานเหล่านี้ บทบาทของคู่ขั้วมีไว้เพื่อให้การอ้างอิงการสับเปลี่ยนมากกว่าสเกลเชิงมุมที่แม่นยำ

ช่วงขั้วคู่ขนาดกลาง (16–32 ขั้ว):  นี่คือเกณฑ์ขั้นต่ำสำหรับการเข้าสู่แอปพลิเคชันระดับตัวเข้ารหัส เฟอร์ไรต์ที่ฉีดขึ้นรูปยังคงสามารถรักษาอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนที่ใช้งานได้ในช่วงนี้ ทำให้เหมาะสำหรับการป้อนกลับมุมที่มีความละเอียดปานกลาง เช่น ตัวเข้ารหัสข้อต่อหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ และป้อนกลับเสริมเซอร์โวบางตัว ในระหว่างการเลือก รายการตรวจสอบที่สำคัญคือ  ความสม่ำเสมอของระยะพิทช์ของขั้ว แทนที่จะ  เพียงแต่นับจำนวนขั้วคู่ที่สูงกว่า วงแหวนแม่เหล็ก 32 ขั้วที่มีการกระจายระยะพิทช์ของขั้วสม่ำเสมออาจให้ความแม่นยำเชิงมุมได้ดีกว่าวงแหวนแม่เหล็ก 64 ขั้วที่มีขอบเขตการทำให้เป็นแม่เหล็กไม่ชัดเจน

ช่วงขั้วคู่ที่สูงขึ้น (48–64 ขั้วขึ้นไป):  เฟอร์ไรต์ที่ฉีดขึ้นรูปเริ่มเข้าใกล้ขีดจำกัดด้านบนของกระบวนการและวัสดุ ช่วงนี้เหมาะกับ  การออกแบบรางคู่ มากกว่า : รางหลักมีหน้าที่รับผิดชอบในตำแหน่งที่เพิ่มขึ้นหรือตำแหน่งสัมบูรณ์ที่มีความละเอียดสูง ในขณะที่รางรองให้การนับรอบหรือการอ้างอิงตำแหน่งหยาบด้วยจำนวนขั้วคู่โคไพรม์ วงแหวนแม่เหล็กรางคู่ขนาด 62/64 ขั้วและ 126/128 ขั้วที่มีจำหน่ายแล้วในท้องตลาดเป็นผลิตภัณฑ์ของแนวทางนี้ อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าเมื่อจำนวนคู่ขั้วเพิ่มขึ้นอีก การลดทอนของสนามพื้นผิวและการรบกวนระหว่างขั้วของเฟอร์ไรต์ที่ขึ้นรูปด้วยการฉีดจะทำให้คุณภาพสัญญาณลดลง ณ จุดนี้  NdFeB ที่ถูกผูกมัดมักจะเป็นตัวเลือกที่สมเหตุสมผลมากกว่า แม้ว่าจะมีต้นทุนที่สูงกว่าก็ตาม

คำเตือนที่สำคัญสองประการสำหรับการดำเนินการทางวิศวกรรม

ขั้นแรก ให้รวมความสามารถในการดึงดูดแม่เหล็กในการทบทวนการเลือก  จำนวนขั้วคู่บนการวาดวงแหวนแม่เหล็กเป็นค่าการออกแบบ การกระจายขั้วแม่เหล็กจริงจะสม่ำเสมอหรือไม่ และตำแหน่งศูนย์ระหว่างขั้วมีความชัดเจนหรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับฟิกซ์เจอร์และกระบวนการสร้างแม่เหล็ก ก่อนที่จะกำหนดจำนวนคู่ขั้ว ควรขอให้ซัพพลายเออร์แม่เหล็กจัดเตรียม  เส้นโค้งการกระจายสนามพื้นผิวที่วัดได้  และ  ข้อมูลความสม่ำเสมอของระยะพิทช์ของขั้วที่  จำนวนขั้วคู่นั้น ไม่ใช่เพียงแผนผังของการจัดเรียงขั้วแม่เหล็กเท่านั้น

ประการที่สอง รางคู่ไม่ใช่ทางลัดสำหรับ 'การนับจำนวนขั้วซ้อน'  ค่าของรางคู่อยู่ที่การใช้การรวมกันของการนับคู่ขั้วโคไพรม์เพื่อให้ได้ความละเอียดสูงพร้อมกันและการอ้างอิงตำแหน่งที่แน่นอน อย่างไรก็ตาม มีความต้องการที่สูงขึ้นในการจัดตำแหน่งเฟสระหว่างรางแม่เหล็กทั้งสองและการควบคุม crosstalk ของสนามแม่เหล็ก หากจำนวนขั้วคู่ของรางหลักและรางรองถูกเลือกไม่ถูกต้อง (เช่น ใกล้กันเกินไป) ข้อได้เปรียบในการแก้ไขตำแหน่งที่เกิดจากความเป็นปฐมภูมิร่วมจะถูกชดเชยด้วยสัญญาณครอสทอล์ค การรวมขั้วคู่ของรางคู่จำเป็นต้องได้รับการออกแบบร่วมกับอัลกอริธึมการถอดรหัส แทนที่จะตัดสินใจเพียงฝ่ายเดียวโดยผู้ผลิตแม่เหล็ก

สาระสำคัญของการคัดเลือกคือการค้นหาจุดตัดระหว่าง  ข้อกำหนดในการแก้ปัญหา ความสามารถของวัสดุ กรอบเวลากระบวนการ และ ต้นทุน เฟอร์ไรต์ที่ขึ้นรูปด้วยการฉีดไม่ใช่ 'วัสดุวงแหวนแม่เหล็กสากล' แต่ให้โซลูชันที่คุ้มต้นทุนสูงในช่วงขั้วคู่ระดับต่ำถึงปานกลาง แต่เมื่อนับคู่ขั้วเกินกว่า 64 ตัวเลือกจำเป็นต้องหันหน้าไปทางเพดานประสิทธิภาพแม่เหล็กอย่างตรงไปตรงมา ไม่ว่าจะยอมรับการสูญเสียคุณภาพสัญญาณหรือหันไปใช้ระบบวัสดุที่มีผลิตภัณฑ์พลังงานสูงกว่า  คู่ขั้วถือเป็นไม้บรรทัด แต่การจะวาดระดับบนไม้บรรทัดได้แม่นยำหรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับว่าวัสดุและกระบวนการสามารถรองรับได้หรือไม่