В автоматизованих системах керування магнітні кодери діють як «сенсорні нерви» обладнання, точно фіксуючи кожну деталь руху. Вибір правильного типу має вирішальне значення для забезпечення ефективної роботи системи.
У сучасній промисловій автоматизації, робототехніці та інтелектуальному обладнанні магнітні кодери стали основними компонентами для визначення положення завдяки своїм унікальним перевагам. Порівняно з традиційними оптичними кодерами, магнітні кодери пропонують більшу адаптивність до навколишнього середовища, вищу надійність і меншу площу.
Зіштовхнувшись з різними вимогами до застосування, магнітні кодери розробили різні технічні шляхи та методи класифікації, причому кожен тип має власні унікальні характеристики продуктивності та відповідні сценарії застосування.
01 Магнітні кодери: принцип роботи та технічні переваги
Магнітні кодери – це датчики положення, засновані на принципі магнітної індукції , які вимірюють обертальний або лінійний переміщення шляхом визначення періодичних змін у магнітному полі.
Основні компоненти включають три частини: магнітну шкалу/кільце, магнітний датчик і схему обробки сигналу.
Магнітна шкала або кільце має рівномірно розташовані північно-півдні магнітні полюси, утворюючи періодичний розподіл магнітного поля. Коли між магнітною шкалою та датчиком виникає відносний рух, магнітний чутливий елемент виявляє зміну магнітного поля та видає відповідний електричний сигнал, який потім обробляється схемою для отримання інформації про положення.
Порівняно з оптичними кодерами, магнітні кодери мають численні переваги : сильніша стійкість до забруднення та вібрації; адаптація до більш широкого діапазону температур; проста конструкція і менша вартість; здатність стабільно працювати в жорстких промислових умовах.
Ці характеристики призвели до широкого застосування магнітних кодерів у таких сферах, як промислова автоматизація, автомобільна електроніка та авіакосмічна промисловість.
02 Класифікація за типом вихідного сигналу: інкрементний, абсолютний та гібридний
Інкрементні магнітні кодери
Інкрементні кодери виводять A і B двофазні імпульсні сигнали з різницею фаз 90° ; деякі також включають індексний сигнал Z-фази (один на оберт).
Підраховуючи кількість імпульсів і оцінюючи послідовність фаз А і В, можна визначити відносне зміщення і напрямок руху.
Переваги : проста структура, низька вартість, висока частота відгуку.
Недоліки : інформація про місцезнаходження втрачається після втрати живлення, що вимагає повторного наведення.
Застосування : підходить для безперервного обертання, контролю швидкості та випадків із чіткими контрольними точками.
Абсолютні магнітні кодери
Кожна позиція абсолютного кодера відповідає унікальному цифровому коду . Він зберігає інформацію про положення після втрати живлення та одразу отримує поточне значення положення після ввімкнення.
Одноповоротний абсолютний : у діапазоні 360° кожна позиція має унікальний код; код змінюється після перевищення 360°.
Multi-Turn Absolute : додає підрахунок обертів на основі однообертового, розширюючи діапазон вимірювання.
Переваги : Пам'ять із вимкненим живленням, відсутність потреби в самонаведенні, надійні дані.
Недоліки : Складна структура, висока вартість.
Застосування : галузі, що вимагають високої надійності, такі як з’єднання роботів, верстати з ЧПК та авіакосмічна промисловість.
Гібридні магнітні кодери
Гібридні кодери поєднують у собі функції інкрементного та абсолютного типів , здатні виводити як інформацію про абсолютне положення, так і інкрементні сигнали високої роздільної здатності.
Ця конструкція врівноважує надійність і точність системи, і стає все більш популярною в високоякісних сервосистемах і прецизійному вимірювальному обладнанні.
03 Класифікація за принципом магнітного виявлення: ефект Холла, магніторезистивний
Кодери на ефекті Холла
На основі ефекту Холла, коли провідник зі струмом поміщається в магнітне поле, генерується різниця потенціалів у напрямку, перпендикулярному як струму, так і магнітному полю.
Характеристики : низька вартість, хороші температурні характеристики, довгий термін служби.
Недоліки : Відносно низька роздільна здатність.
Застосування : економічно чутливі додатки, такі як автомобільні двигуни та побутова техніка.
Анізотропні магніторезистивні (AMR) кодери
Використовуйте характеристику, що питомий опір феромагнітних матеріалів змінюється в зовнішньому магнітному полі. Чутливість на кілька порядків вище, ніж у елементів Холла.
Характеристики : Висока роздільна здатність, широка частотна характеристика, стабільні температурні характеристики.
Недоліки : Потрібне магнітне екранування, висока вартість.
Застосування : високоточні серводвигуни, точні інструменти.
Гігантські магніторезистивні (GMR) і тунельні магніторезистивні (TMR) кодери
GMR і TMR — це технології магнітного виявлення нового покоління з чутливістю на порядок вищою, ніж AMR.
Характеристики : Надвисока чутливість, високе співвідношення сигнал/шум, низьке енергоспоживання.
Недоліки : Складний процес, висока вартість.
Застосування : поля надвисокої точності, такі як промислові роботи високого класу та медичне обладнання.
04 Класифікація за типом конструкції: суцільний вал, глуха порожниста, наскрізна порожниста
Магнітні кодери з твердим валом
Датчик нерухомо з'єднаний з обертовим валом, має компактну структуру, низький крутний момент і низьку вартість.
Підходить для невеликих двигунів і мікророботів з обмеженим простором, але встановлення вимагає з’єднання та високої точності вирівнювання.
Магнітні кодери з глухими порожнистими (напівпорожнистими).
Датчик має глухий отвір з одного боку та встановлюється безпосередньо на вал двигуна, що забезпечує легку установку та високу надійність.
Це найбільш часто використовувана конструкція на сьогоднішній день, яка поєднує продуктивність і вартість, і широко використовується в сервомоторах і промислових роботах.
Через порожнисті (з порожнистим валом) магнітні кодери
Має центральний наскрізний отвір, що пронизує весь кодер , що дозволяє проходити кабелю або валу, що відповідає спеціальним потребам встановлення.
Підходить для складних механічних конструкцій, таких як спільні з’єднання роботів і точні поворотні столи.
05 Класифікація за ступенем точності: комерційна, промислова, інструментальна
Магнітні кодери промислового класу
Роздільна здатність : Зазвичай нижче 12 біт (4096 PPR)
Точність : ±1° або більше
Робоча температура : від 0°C до +70°C
Застосування : Побутова техніка, побутова електроніка, General Motors
Магнітні кодери промислового класу
Роздільна здатність : 12-16 біт (4096-65536 PPR)
Точність : від ±0,1° до ±0,5°
Робоча температура : від -40°C до +85°C
Ступінь захисту : зазвичай IP54 або вище
Застосування : промислова автоматизація, серводвигуни, електроінструменти
Магнітні кодери приладового класу
Роздільна здатність : 16-24 біти (65536-16777216 PPR)
Точність : ±0,01° до ±0,05°
Робоча температура : від -40°C до +110°C
Особливості : ударостійкість, стійкість до вібрації, електромагнітний
захист .
06 Керівництво з вибору магнітного кодера
Визначте вимоги до програми
Тип руху : обертальний чи лінійний рух? Безперервний чи зворотно-поступальний?
Вимоги до контролю : контроль положення, контроль швидкості чи обидва?
Умови навколишнього середовища : температура, вологість, вібрація, електромагнітні перешкоди?
Визначте ключові параметри
Роздільна здатність : вибирайте на основі вимог до точності керування, необов’язково що вище – краще.
Точність : враховуйте загальний бюджет помилок системи.
Частота відгуку : Має відповідати вимогам максимальної робочої швидкості.
Вихідний інтерфейс : паралельний, послідовний, польова шина.
Враховуйте умови встановлення
Обмеження простору : визначте допустимі розміри та спосіб встановлення.
З’єднання вала : враховуйте вимоги до вирівнювання та зручність встановлення.
Ступінь захисту : Виберіть відповідний захист на основі забруднень навколишнього середовища.
Оцініть економічні фактори
Діапазон бюджету : знайдіть точку балансу між потребами продуктивності та вартістю.
Вартість життєвого циклу : розгляньте довгострокові витрати на обслуговування та заміну.
Час виконання поставок : Забезпечте стабільність ланцюжка поставок.
07 Спеціальні типи магнітних кодерів
Лінійні магнітні кодери
Використовується для вимірювання лінійного переміщення , складається з магнітної шкали та головки для зчитування.
Переваги : великий діапазон вимірювання, гнучкий монтаж, сильна стійкість до забруднень.
Застосування : верстати з ЧПК, координатно-вимірювальні машини, лінійні двигуни.
Багатооборотні абсолютні магнітні кодери
Використовуйте технологію збору енергії Wiegand або механізми зубчастої передачі для досягнення механічного багатооборотного підрахунку.
Характеристики : може підтримувати інформацію про позицію кількох обертів після втрати живлення без використання батареї.
Застосування : системи кроку вітрових турбін, портове обладнання, інженерне обладнання.
Двоканальні магнітні кодери
Має два незалежних блоки магнітного детектування , які можуть виводити два сигнали одночасно.
Переваги : Резервна конструкція підвищує надійність; подвійні сигнали полегшують компенсацію помилок.
Застосування : критичні для безпеки системи, особливі випадки, що вимагають високої надійності.
Завдяки вдосконаленню магнітних матеріалів, інтегральних схем і технологій обробки сигналів магнітні кодери розвиваються в напрямку вищої точності, меншого розміру та більшого інтелекту.
Інноваційні технології, такі як нові магнітні чутливі елементи TMR, інтелектуальні функції самодіагностики та інтегровані конструкції керування приводом, постійно розширюють межі застосування магнітних кодерів.
У контексті майбутньої «Індустрії 4.0» та інтелектуального виробництва важливість магнітних кодерів як «сенсорних нервів» обладнання ставатиме все більш помітною, забезпечуючи більш точні та надійні можливості сприйняття положення для інтелектуального обладнання.
