คู่มือการเลือกเซ็นเซอร์ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กของหุ่นยนต์: วิธีจับคู่ความละเอียด ความแม่นยำ และโปรโตคอลการสื่อสาร

ในการออกแบบข้อต่อหุ่นยนต์ เซอร์โวมอเตอร์ ระบบล้อ AGV และแม้แต่หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ ตัวเข้ารหัสแม่เหล็ก (เซ็นเซอร์ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กของหุ่นยนต์) จะค่อยๆ เข้ามาแทนที่ตัวเข้ารหัสแบบออปติคัลแบบเดิมเป็นส่วนประกอบหลักสำหรับการป้อนกลับตำแหน่งและความเร็ว ข้อดี ได้แก่ การวัดแบบไม่สัมผัส ความต้านทานการปนเปื้อน ความต้านทานการสั่นสะเทือน และโครงสร้างที่กะทัดรัด ได้นำไปสู่การนำไปใช้อย่างกว้างขวางในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและหุ่นยนต์อัจฉริยะ

เมื่อต้องเผชิญกับพารามิเตอร์จำนวนมากและอินเทอร์เฟซเอาท์พุตของเซ็นเซอร์เข้ารหัสแม่เหล็กในท้องตลาด วิศวกรมักพบว่าทำให้เกิดความสับสน: ความละเอียดที่สูงกว่าจะดีกว่าเสมอหรือไม่ ความสัมพันธ์ระหว่างความละเอียดและความแม่นยำคืออะไร? คุณจะเลือกระหว่าง SPI, SSI และ ABZ อย่างไร บทความนี้ให้คำแนะนำการเลือกที่ชัดเจนสำหรับนักพัฒนาหุ่นยนต์เกี่ยวกับประเด็นหลักทั้งสามนี้

1. ความแตกต่างระหว่างความละเอียดและความแม่นยำ: ความละเอียดสูง ≠ ความแม่นยำสูง

ความละเอียดและความแม่นยำเป็นพารามิเตอร์สองตัวที่สับสนได้ง่ายที่สุด แต่มีความหมายที่แตกต่างกันมาก

ความละเอียด  หมายถึงการเปลี่ยนแปลงเชิงมุมที่น้อยที่สุดที่ตัวเข้ารหัสสามารถอ่านและส่งออกได้ ซึ่งสะท้อนถึง 'ความละเอียด' ของการวัด โดยทั่วไปแล้วตัวเข้ารหัสแบบสัมบูรณ์จะใช้บิต เช่น 14 บิต (16384 สเต็ป/รอบ) 17 บิต (131072 สเต็ป/รอบ) ตัวเข้ารหัสส่วนเพิ่มใช้พัลส์ต่อการปฏิวัติ (PPR) เช่น 1,024 PPR พูดง่ายๆ ก็คือ ความละเอียดเป็นตัวกำหนดว่าคุณสามารถแบ่งวงกลม 360° ได้ละเอียดเพียงใด ยิ่งบิตสูง การแบ่งก็จะละเอียดยิ่งขึ้น

ความแม่นยำ  หมายถึงการเบี่ยงเบนระหว่างสัญญาณเอาท์พุตของตัวเข้ารหัสและมุมทางกายภาพที่เกิดขึ้นจริง ซึ่งสะท้อนถึง 'ความถูกต้อง' ของการวัด ความแม่นยำมักแสดงเป็นองศา (°) หรืออาร์คนาที (อาร์คมิน) และได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ ได้แก่ คุณภาพของแม่เหล็ก ความเยื้องศูนย์ของการติดตั้ง การเคลื่อนตัวของอุณหภูมิ สัญญาณรบกวนจากแม่เหล็ก ฯลฯ โดยทั่วไป คุณภาพของวงแหวนแม่เหล็กจะกำหนดความแม่นยำ ในขณะที่หัวอ่าน (ชิป) จะกำหนดความละเอียดและความสามารถในการทำซ้ำ

มีข้อผิดพลาดทั่วไป: ความละเอียดสูงไม่จำเป็นต้องมีความแม่นยำสูงเสมอไป ตัวเข้ารหัสแม่เหล็ก 14 บิตสามารถแบ่งหนึ่งรอบออกเป็น 16,384 สเต็ป แต่หากความแม่นยำในการดึงดูดแม่เหล็กของแม่เหล็กไม่ดีหรือมีความเยื้องศูนย์ ความแม่นยำที่วัดได้จริงอาจอยู่ที่ ±1.0° เท่านั้น โดยมีความละเอียดที่เกินความแม่นยำมาก ในกรณีที่ร้ายแรง ข้อผิดพลาดระหว่างความละเอียดและความแม่นยำอาจมากกว่า 50 ครั้ง เมื่อเลือกเซนเซอร์ ควรให้ความสำคัญกับข้อกำหนดความแม่นยำที่สอบเทียบแล้ว แทนที่จะใช้ความละเอียดสูงเพียงอย่างเดียว

จะจับคู่ความละเอียดอย่างสมเหตุสมผลได้อย่างไร? สูตรเชิงประจักษ์: ความละเอียด ≥ 360° KW ข้อกำหนดความแม่นยำของตำแหน่ง ตัวอย่างเช่น หากข้อกำหนดความแม่นยำของตำแหน่งคือ ±0.1° ความละเอียดจะต้องมีอย่างน้อย 360 ÷ 0.1 = 3600 เส้น (ประมาณ 11.8 บิต) ในทางปฏิบัติ ขอแนะนำให้เว้นระยะขอบไว้และเลือกระดับที่สูงกว่าค่าที่คำนวณได้หนึ่งระดับ

2. วิธีเลือกโปรโตคอลการสื่อสาร: การจับคู่ฉาก ABZ, SPI, SSI

โปรโตคอลการสื่อสารของเซ็นเซอร์ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กส่งผลโดยตรงต่อความซับซ้อนในการเดินสายไฟ การป้องกันเสียงรบกวน และประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ พวกเขาสามารถแบ่งคร่าวๆ เป็นอินเทอร์เฟซแบบเพิ่มหน่วยและอินเทอร์เฟซแบบสัมบูรณ์

อินเทอร์เฟซส่วนเพิ่ม (ABZ)  : เอาต์พุตพัลส์การสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส A/B โดยมีเฟสต่างกัน 90° เพื่อกำหนดความเร็วและทิศทาง และช่อง Z สำหรับหนึ่งพัลส์เป็นศูนย์ต่อการปฏิวัติ ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของอินเทอร์เฟซ ABZ คือความเข้ากันได้ดีและต้นทุนต่ำ มันเป็นรูปแบบอินพุตมาตรฐานสำหรับเซอร์โวไดรฟ์และ PLC ส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม ตัวเข้ารหัสส่วนเพิ่มจะไม่เก็บข้อมูลตำแหน่งไว้หลังจากปิดเครื่อง และจำเป็นต้องมีวงจรการกลับบ้านเมื่อเริ่มต้นระบบ เหมาะสำหรับสเต็ปเปอร์มอเตอร์ไดรฟ์ การวัดความเร็วสายพานลำเลียง และการควบคุมความเร็วอื่นๆ หรือการใช้งานการตรวจจับตำแหน่งแบบธรรมดา

อินเทอร์เฟซ SPI  : อินเทอร์เฟซแบบอนุกรมแบบซิงโครนัส สามารถอ่านค่ามุมสัมบูรณ์ได้โดยตรง และยัง รองรับการกำหนดค่าการลงทะเบียนบนชิปและการวินิจฉัยสนามแม่เหล็ก SPI นำเสนอประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์สูงและการเดินสายที่เรียบง่าย ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น การควบคุม FOC ที่ต้องการการอ่านมุมที่รวดเร็ว

อินเทอร์เฟซ SSI  : เวอร์ชันอุตสาหกรรมของอินเทอร์เฟซอนุกรมแบบซิงโครนัส โดยใช้การส่งส่วนต่างของนาฬิกา+ข้อมูล พร้อมการป้องกันสัญญาณรบกวนที่แข็งแกร่ง และระยะการส่งข้อมูลสูงสุด 100 เมตร SSI รองรับความละเอียด 12 25 บิต และเป็นอินเทอร์เฟซตัวเข้ารหัสสัมบูรณ์กระแสหลักในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม เหมาะสำหรับการวางตำแหน่งที่แน่นอนในระยะทางไกลในสภาพแวดล้อมที่มีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแรงสูง

คู่มือการเลือกอย่างรวดเร็ว  :

·  ระยะทางสั้น ต้นทุนต่ำ เน้นการควบคุมความเร็ว → อินเทอร์เฟซปลายเดียว ABZ

·  ระยะไกล การรบกวนสูง ต้องการตำแหน่งที่แน่นอน → อินเทอร์เฟซ Differential ABZ หรือ SSI

·  ความแม่นยำสูง ไม่จำเป็นต้องทำการโฮม การควบคุม FOC → อินเทอร์เฟซสัมบูรณ์ SPI/SSI/I²C

3. คำแนะนำในการเลือกสำหรับการใช้งานหุ่นยนต์สามแกนหลัก

3.1 ข้อต่อหุ่นยนต์ (หุ่นยนต์ร่วมมือ, หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์)

ข้อต่อหุ่นยนต์ต้องการความแม่นยำ ความละเอียด และความน่าเชื่อถือสูงสุดจากตัวเข้ารหัส โดยทั่วไปแล้วจะเลือกใช้ตัวเข้ารหัสแบบสัมบูรณ์ที่ใช้เทคโนโลยี TMR หรือ AMR ความละเอียดที่แนะนำคือ 18 บิตหรือสูงกว่า โดยมีความแม่นยำไม่ต่ำกว่า ±0.05° สำหรับการสื่อสาร อินเทอร์เฟซ SPI สามารถสื่อสารโดยตรงกับชิปไดรเวอร์ร่วม เหมาะสำหรับการควบคุม FOC แบบเรียลไทม์สูง นอกจากนี้ เนื่องจากพื้นที่ที่กะทัดรัดในข้อต่อของหุ่นยนต์ จึงควรให้ความสำคัญกับผลิตภัณฑ์บรรจุภัณฑ์ขนาดเล็ก (เช่น QFN 3×3 มม.) โดยใช้กับแม่เหล็ก NdFeB ที่มีแม่เหล็กตามแนวรัศมี

3.2 ระบบล้อ AGV/AMV

ตัวเข้ารหัสล้อ AGV ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการควบคุมวงรอบความเร็วและการวัดระยะทาง ข้อกำหนดด้านความละเอียดอยู่ในระดับปานกลาง (เพียงพอ 14-17 บิต) แต่ความสามารถในการปรับตัวด้านสิ่งแวดล้อมและความน่าเชื่อถือถือเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจาก AGV มักทำงานในสภาพแวดล้อมที่เต็มไปด้วยฝุ่นและชื้น การต้านทานการปนเปื้อนของตัวเข้ารหัสแบบแม่เหล็กจึงเป็นข้อได้เปรียบที่ชัดเจน สามารถใช้อินเทอร์เฟซ ABZ เพื่อเชื่อมต่อโดยตรงกับไดรเวอร์มอเตอร์ หรืออินเทอร์เฟซ SSI สำหรับระยะการส่งข้อมูลที่ยาวขึ้น

3.3 เซอร์โวมอเตอร์ (ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม)

เซอร์โวมอเตอร์ต้องการทั้งความละเอียดสูงเพื่อปรับปรุงความนุ่มนวลที่ความเร็วต่ำและความแข็งแบบไดนามิก และความแม่นยำเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่าการวางตำแหน่งถูกต้อง ความละเอียดที่แนะนำเริ่มต้นที่ 15-17 บิต โดยมีความแม่นยำมากกว่า ±0.1° สำหรับการสื่อสาร อินเทอร์เฟซแบบสัมบูรณ์ได้กลายเป็นตัวเลือกหลักสำหรับเซอร์โวระดับไฮเอนด์ อินเทอร์เฟซ SSI หรือ BiSS รับประกันการส่งข้อมูลที่เสถียรในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่มีการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรง

4. ข้อผิดพลาดที่ควรหลีกเลี่ยงหลังการคัดเลือก

แม้ว่าพารามิเตอร์การเลือกจะถูกต้อง แต่การใช้งานจริงอาจประสบปัญหาต่อไปนี้:

·  ความแม่นยำในการติดตั้ง  : ความเยื้องศูนย์ระหว่างแม่เหล็กและชิปต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด โดยทั่วไปคือ ≤0.3 มม. โดยมีช่องว่างตามแนวแกน 0.5-1.5 มม. เกินขีดจำกัดเหล่านี้จะทำให้เกิดข้อผิดพลาดแบบไม่เชิงเส้นเพิ่มเติม

·  การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า  : EMI ที่แข็งแกร่งจากมอเตอร์ อินเวอร์เตอร์ ฯลฯ เป็นสาเหตุสำคัญของการบิดเบือนสัญญาณ แนะนำให้ใช้อินเทอร์เฟซเอาต์พุตแบบดิฟเฟอเรนเชียลรวมกับสายเคเบิลหุ้มฉนวนคู่บิด (ชีลด์ต่อสายดินที่ปลายด้านหนึ่ง)

·  ความสามารถในการปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อม  : สำหรับการใช้งานที่มีการแช่น้ำอย่างต่อเนื่องหรือการควบแน่นที่มีความชื้นสูง ให้เลือกผลิตภัณฑ์ที่มีระดับการป้องกันน้ำเข้าที่ IP67 หรือสูงกว่า โดยทั่วไปแล้ว เกรดอุตสาหกรรมจะต้องมีช่วงอุณหภูมิในการทำงานที่ -40°C ถึง +85°C

5. เซ็นเซอร์เข้ารหัสแม่เหล็กหุ่นยนต์ SDM

ในกระบวนการผลิตตัวเข้ารหัสแม่เหล็กในประเทศ SDM ได้ใช้เส้นทางเทคโนโลยีที่แตกต่างในการผลิต ข้อได้เปรียบหลักของเซนเซอร์ Robot Magnetic Encoder สะท้อนให้เห็นในสามด้านต่อไปนี้:

กระบวนการบูรณาการด้วยการฉีดขึ้นรูป  : SDM ใช้กระบวนการฉีดขึ้นรูปเพื่อสร้างวัสดุแม่เหล็กและพลาสติกวิศวกรรมในขั้นตอนเดียว แทนที่กระบวนการประกอบหลายชิ้นส่วนแบบดั้งเดิม การบูรณาการการฉีดขึ้นรูปให้ประโยชน์ที่สำคัญ: การไหลของกระบวนการสั้น, การใช้พลังงานต่ำ, ข้อจำกัดด้านรูปร่างน้อย, ประสิทธิภาพการผลิตสูง และความแม่นยำของขนาดที่ดี กระบวนการนี้ปรับปรุงความสม่ำเสมอของมิติและความแข็งแรงเชิงกลของวงแหวนแม่เหล็กตัวเข้ารหัสได้อย่างมาก โดยวางรากฐานสำหรับความสม่ำเสมอของประสิทธิภาพแม่เหล็กในภายหลัง

เทคโนโลยีการพิมพ์ด้วยแม่เหล็กด้วยแม่เหล็ก  : ในขั้นตอนการทำให้เป็นแม่เหล็ก SDM ใช้เทคโนโลยี 'การพิมพ์ด้วยแม่เหล็ก' ที่มีความแม่นยำสูง—รูปแบบการเขียนแบบขั้วทีละจุด เมื่อเปรียบเทียบกับการทำให้เป็นแม่เหล็กจำนวนมากแบบทั่วไป สิ่งนี้จะปรับปรุงความแม่นยำของตำแหน่งขั้วและความสม่ำเสมอของสนามแม่เหล็กได้อย่างมาก กระบวนการสร้างแม่เหล็กที่มีจำนวนขั้วสูงและมีความแม่นยำสูงต้องการอุปกรณ์และเครื่องมือที่แม่นยำอย่างยิ่ง จะต้องเสร็จสิ้นบนฟิกซ์เจอร์แม่เหล็กหลายขั้วโดยเฉพาะที่มีการจัดเรียงที่แม่นยำและสนามแม่เหล็กพัลส์ความเข้มสูง ความเชี่ยวชาญที่สั่งสมมาของ SDM ในด้านนี้ทำให้เซนเซอร์ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กสามารถบรรลุความแม่นยำในการแบ่งขั้วในระดับสูง

การตรวจสอบรูปคลื่นเต็มรูปแบบ  : แตกต่างจากผู้ผลิตเครื่องเข้ารหัสแม่เหล็กในประเทศส่วนใหญ่ที่พึ่งพาการตรวจสอบการสุ่มตัวอย่าง SDM ดำเนินการตรวจสอบรูปคลื่นเต็มรูปแบบบนเซ็นเซอร์ทุกตัวก่อนออกจากโรงงาน ผลิตภัณฑ์แต่ละชิ้นผ่านการสแกนรูปคลื่นของสัญญาณภายใต้สภาวะการทำงานที่หลากหลาย ครอบคลุมตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพทั้งหมด เช่น ข้อผิดพลาดของมุมระหว่างขั้ว ความผันผวนของความแรงของสนามแม่เหล็ก การบิดเบือนของสัญญาณ ฯลฯ การตรวจสอบอย่างเต็มรูปแบบหมายความว่าเซ็นเซอร์ทุกตัวที่ลูกค้าได้รับได้รับการตรวจสอบแยกกันผ่านการวัดจริง ทำให้มั่นใจได้ถึงความสอดคล้องและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ที่ดีขึ้น ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญในการใช้งาน เช่น ข้อต่อหุ่นยนต์ ที่ความน่าเชื่อถือของเซ็นเซอร์เป็นสิ่งสำคัญที่สุด

ตั้งแต่การผสานรวมแบบฉีดขึ้นรูปเพื่อให้แน่ใจว่า Datum เชิงกลของวงแหวนแม่เหล็ก ไปจนถึงการพิมพ์ด้วยแม่เหล็กเพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำทางไฟฟ้าของขั้วแม่เหล็ก และสุดท้ายคือการตรวจสอบรูปคลื่นเต็มรูปแบบเพื่อรับประกันคุณภาพขาออกของผลิตภัณฑ์แต่ละชิ้น วงจรปิดกระบวนการที่สมบูรณ์ของ SDM ช่วยให้มั่นใจในการควบคุมสายโซ่เต็มรูปแบบของเซ็นเซอร์เข้ารหัสแม่เหล็กทุกตัวตั้งแต่วัสดุจนถึงผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป ทำให้ผู้ใช้มีตัวเลือกตัวเข้ารหัสแม่เหล็กในประเทศที่มีความสม่ำเสมอสูงและเชื่อถือได้สูง