Порівняння однодоріжних і дводоріжних дисків магнітного кодера

У промисловій автоматизації, управлінні з’єднаннями роботів і двигунах транспортних засобів з новою енергією магнітні кодери відіграють дедалі важливішу роль. Завдяки безконтактному вимірюванню магнітного поля вони перетворюють обертальний або лінійний рух у точні електричні сигнали, надаючи системі інформацію про положення, швидкість і напрямок. 'Серце' а магнітний шифратор - це саме той, здавалося б, простий магнітний диск (магнітне кільце).

Коли інженери починають обирати компоненти, вони часто стикаються з декількома неминучими запитаннями: у чому саме різниця між одноколійним і двоколійним? Для яких сценаріїв підходять гумові магніти та литі під тиском ферити відповідно?

1. Однодорожкові диски: достатньо, але недостатньо «розумно».

Однодоріжковий магнітний диск має тільки одну намагнічену доріжку і працює з одним датчиком. Розраховує кут повороту шляхом виведення імпульсних сигналів; по суті, це інкрементний кодер — він може лише сказати вам, 'скільки він повернувся', але не може безпосередньо визначити, 'в якому напрямку він обертається' або 'в якому абсолютному положенні він зараз знаходиться'

З цієї причини контрольну нульову точку одноколійної системи необхідно встановлювати заново щоразу, коли вона вмикається. Якщо пристрій вимкнути та перезапустити, уся попередня інформація про місцезнаходження буде втрачена.

Однак однодоріжні диски також мають незамінну цінність: просту структуру, надзвичайно низьку вартість і короткий ланцюжок обробки сигналу. Вони дуже підходять для застосувань, які потребують лише вимірювання швидкості й не потребують напряму чи абсолютного положення, наприклад визначення швидкості вентилятора, системи односпрямованого руху та економічне звичайне керування двигуном.

2. Двоколісні диски: вимірювання абсолютної позиції за допомогою 'двох лінійок'

Основна ідея подвійного диска полягає в тому, щоб об’єднати дві намагнічені доріжки на одному магніті — головну доріжку та допоміжну доріжку (зазвичай звану ноніусною доріжкою) — з кількістю пар магнітних полюсів, що відрізняються на одиницю, наприклад, 64 пари полюсів у поєднанні з 63 парами полюсів або 32 пари полюсів у парі з 31 парою полюсів.

Винахідливість цієї конструкції полягає в тому, що, оскільки дві доріжки мають різну кількість пар полюсів, при будь-якому кутовому положенні комбінація магнітних полів, створюваних двома доріжками, є унікальною. Мікросхема кодера зчитує різницю фаз між двома каналами сигналу та за принципом ноніуса (подібно до логіки зчитування штангенциркуля) може обчислити поточне абсолютне кутове положення в межах 360°—навіть після перезапуску вимикання живлення точне положення може бути відоме в момент відновлення живлення без необхідності «повертатись до нуля».

Покращення продуктивності завдяки подвійним трекам є багатовимірним:

• Стрибок роздільної здатності : із квадратурним декодуванням двоканальні сигнали можуть підвищити ефективну роздільну здатність у 4 рази. Для магнітного кільця з 50 парами полюсів система з однією доріжкою може отримати лише 50 відліків за один оберт, тоді як двоканальна система з квадратурним декодуванням може досягти 200 відліків.

• Можливість визначення напрямку : Послідовність фаз двох каналів сигналу безпосередньо відображає напрямок обертання без необхідності додаткового логічного висновку.

• Стійке до перешкод резервування : двоканальні сигнали можуть перевіряти один одного, полегшуючи фільтрацію помилкових імпульсів у середовищі вібрації або електромагнітних перешкод, значно покращуючи стабільність системи.

• Ефективність простору : у порівнянні з використанням двох одноканальних магнітних кілець поруч, інтегрована двоканальна структура може зменшити зайнятість осьового простору приблизно на 30%–40%, що має вирішальне значення для чутливих до об’єму додатків, таких як з’єднання роботів.

Звичайно, двоканальне рішення потребує двох датчиків і складнішої схеми обробки сигналів, тому вартість апаратного забезпечення є відносно вищою. Однак у сценаріях із суворими вимогами до точності позиціонування, таких як сервосистеми, з’єднання роботів і точне керування безщітковими двигунами, ці інвестиції виправдані.

3. Дебати щодо матеріалів: гумові магніти проти фериту, виготовленого під тиском

Незалежно від того, одноканальний чи двоканальний, вибір матеріалу підкладки для диска однаково важливий. На даний момент двома матеріалами, які найчастіше використовуються для магнітних кілець кодера, є гумові магніти та литий ферит, кожен з яких має певний характер.

Гумові магніти: гнучкий 'універсальний'

Гумові магніти виготовляються шляхом змішування феритового магнітного порошку з еластомерами, такими як нітрильний каучук, з подальшим компаундуванням, каландруванням і вулканізаційним формуванням. Їхня найбільша перевага полягає в  гнучкості та простоті обробки — їх можна виготовляти у тонкі листи або рулони та адаптувати до вигнутих або спеціальної форми встановлення, що робить їх особливо придатними для обмеженого простору, легких сценаріїв.

Магнітні властивості сучасних гумових магнітних кодерів також постійно покращуються. Завдяки оптимізації складу гуми коефіцієнт наповнення феритовим порошком можна ще більше збільшити, і такі виробники, як NTN, досягли збільшення магнітної сили на 25% порівняно з традиційними гумовими кодерами. Магнітні кільця серії Elasto-Ferrite компанії Hutchinson можуть досягати залишкової напруги до 3500 G, ширини полюса всього 2 мм і допуску періоду, контрольованого в межах 0,05°.

Проте гумові магніти також мають очевидні недоліки:  обмежена стійкість до температури , зазвичай між 60°C і 80°C, і відносно слабкі магнітні характеристики. Вони більше підходять для двигунів малого та середнього розміру, автомобільних датчиків ABS та інших випадків з менш вимогливими температурними вимогами.

Литий ферит: тверда 'прецизійна фракція'

Литий під тиском ферит виготовляється шляхом змішування магнітного порошку фериту стронцію або барію з конструкційними пластмасами, такими як нейлон (PA66) або PPS, а потім формується шляхом лиття під тиском. Його основні переваги полягають у  узгодженості розмірів і свободі формування — складні геометричні форми можна формувати під тиском за один крок, а розміри дуже стабільні від партії до партії, що є вирішальним для точного вирівнювання двох доріжок у двоканальному диску.

Формований під тиском ферит має  значно кращу термостійкість, ніж гумові магніти . Термостійкість магнітів, виготовлених під тиском на основі нейлону, може досягати 120–150 °C, що набагато вище, ніж 60–80 °C гумових магнітів. З точки зору механічної міцності, литий ферит має вищу поверхневу твердість, сильнішу зносостійкість і ударостійкість, а також менше ймовірність утворення тріщин або пошкоджень під час тривалого використання. Крім того, як оксидний матеріал, ферит сам по собі має чудову корозійну стійкість і не потребує додаткового захисту покриття.

Порівняння ключових параметрів двох матеріалів

Логіка вибору насправді цілком зрозуміла: якщо застосування передбачає  високу точність, високу довговічність і широкий температурний діапазон , більш підходящим є ферит, виготовлений під тиском; якщо існують вищі вимоги до  гнучкості, легкої ваги та контролю за витратами , гумові магніти є більш прагматичним вибором.

4. Стратегія комбінування: зіставлення кількості треків із матеріалом

Після того, як структура доріжки та характеристики матеріалу зрозумілі, вибір стає рішенням у стилі матриці:

• Одноканальна + гумовий магніт : найекономічніше рішення, придатне для простого вимірювання швидкості, визначення швидкості вентилятора тощо.

• Одноканальна + литий ферит : покращує довговічність і адаптивність до температури, зберігаючи контрольовані витрати; підходить для поступових застосувань у відносно суворих умовах, таких як датчики швидкості коліс автомобіля.

• Подвійна доріжка + гумовий магніт : врівноважує можливість абсолютного позиціонування та легкість. Високоточний датчик кута NTN використовує подвійну доріжку, виготовлену з гумового магнітного матеріалу, що забезпечує кутову точність ±0,1° і зменшення ваги на 27%.

• Подвійна доріжка + литий ферит : призначений для найскладніших промислових сценаріїв — серводвигунів, з’єднань роботів і поворотних столів для верстатів із ЧПК — які вимагають високоточного абсолютного позиціонування, стабільності в широкому діапазоні температур і довгострокової надійності.

Варто зазначити, що точність подвійного диска залежить не тільки від матеріалу, але і, що більш важливо, від  точності намагнічування . Відстань між двома доріжками надзвичайно мала, і традиційні методи пакетного намагнічування схильні до магнітних перехресних перешкод, що спричиняє деформацію магнітних полюсів у сусідніх доріжках. Провідним у галузі підходом є намагнічення «однополюсного запису даних» — подібно до запису даних на жорсткий диск, мікромагнітні головки намагнічують полюс за полюсом послідовно, таким чином підвищуючи точність вирівнювання фаз між доріжками до субмікронного рівня.

Зрештою, вибір диска магнітного кодера є процесом 'відповідності вимогам'. Однодоріжні диски вирішують питання, 'скільки він обертався' найпростішим способом, тоді як двоколійні диски використовують дві 'лінійки' з різними масштабами, щоб відповісти на більш фундаментальне питання 'де це зараз'. Гумові магніти відомі своєю гнучкістю та економічністю, тоді як литий ферит вражає своєю жорсткістю та точністю. Якщо структура доріжки та характеристики матеріалу правильно узгоджені, магнітні кодери можуть забезпечити максимальну продуктивність у промисловій автоматизації та інтелектуальному обладнанні.