При розробці з’єднань роботів, серводвигунів, колісних систем AGV і навіть роботів-гуманоїдів, магнітні кодери (роботизовані магнітні датчики кодування) поступово замінюють традиційні оптичні кодери як основні компоненти для зворотного зв’язку позиції та швидкості. Їхні переваги — безконтактне вимірювання, стійкість до забруднення, стійкість до вібрації та компактна конструкція — призвели до широкого застосування в промисловій автоматизації та інтелектуальній робототехніці.
Стикаючись із численними параметрами та вихідними інтерфейсами датчиків магнітного кодування на ринку, інженери часто спантеличують: чи завжди вища роздільна здатність краща? Який зв’язок між роздільною здатністю та точністю? Як вибрати між SPI, SSI та ABZ? Ця стаття містить чіткий посібник для розробників роботів щодо цих трьох основних питань.
1. Відрізнення роздільної здатності від точності: висока роздільна здатність ≠ висока точність
Роздільна здатність і точність — два параметри, які найлегше сплутати, але вони мають дуже різні значення.
Роздільна здатність означає найменшу кутову зміну, яку кодер може зчитати та вивести, що відображає 'точність' вимірювання. Абсолютні кодери зазвичай використовують біти, наприклад, 14 біт (16384 кроків/об), 17 біт (131072 кроків/об); інкрементні кодери використовують імпульси на оберт (PPR), наприклад, 1024 PPR. Простіше кажучи, роздільна здатність визначає, наскільки точно ви можете розділити повне коло на 360° — чим вище біти, тим точніший розподіл.
Точність означає відхилення між вихідним сигналом кодера та фактичним фізичним кутом, що відображає 'правильність' вимірювання. Точність зазвичай виражається в градусах (°) або кутових хвилинах (arcmin), і на неї впливають численні фактори: якість магніту, ексцентриситет монтажу, температурний дрейф, магнітний шум тощо. Як правило, якість магнітного кільця визначає точність, тоді як зчитувальна головка (чіп) визначає роздільну здатність і повторюваність.
Є спільний підводний камінь: висока роздільна здатність не обов’язково забезпечує високу точність. 14-розрядний магнітний кодер може розділити один оберт на 16384 кроки, але якщо точність намагніченості магніту низька або є ексцентриситет монтажу, фактична виміряна точність може становити лише ±1,0°, з роздільною здатністю, що значно перевищує точність. У надзвичайних випадках похибка між роздільною здатністю та точністю може перевищувати 50 разів. Під час вибору датчика пріоритет слід віддавати специфікації каліброваної точності, а не просто прагнути до високої роздільної здатності.
Як прийнятно відповідати роздільній здатності? Емпірична формула: роздільна здатність ≥ 360° ÷ вимога до точності позиціонування. Наприклад, якщо вимога до точності позиціонування становить ±0,1°, то роздільна здатність повинна бути не менше 360 ÷ 0,1 = 3600 рядків (приблизно 11,8 біт). На практиці доцільно залишати запас і вибирати на один рівень вище розрахункового значення.
2. Як вибрати протоколи зв’язку: ABZ, SPI, SSI Scene Matching
Протокол зв'язку датчика магнітного кодера безпосередньо впливає на складність проводки, завадостійкість і продуктивність у реальному часі. Їх можна грубо розділити на інкрементні інтерфейси та абсолютні інтерфейси.
Інкрементний інтерфейс (ABZ) : виходи квадратурних імпульсів A/B з різницею фаз 90° для визначення швидкості та напрямку, а також канал Z для одного нульового імпульсу на оберт. Найбільшими перевагами інтерфейсу ABZ є хороша сумісність і низька вартість; це стандартний формат введення для більшості сервоприводів і ПЛК. Однак інкрементні кодери не зберігають інформацію про положення після вимкнення живлення та потребують циклу наведення під час запуску. Підходить для приводів крокових двигунів, вимірювання швидкості конвеєра та інших програм контролю швидкості або простого визначення положення.
Інтерфейс SPI : Синхронний послідовний інтерфейс, може безпосередньо зчитувати абсолютні значення кута, а також підтримує конфігурацію реєстру на кристалі та діагностику магнітного поля. SPI забезпечує високу продуктивність у режимі реального часу та просте підключення, що робить його придатним для додатків, таких як контроль FOC, які потребують швидкого зчитування кута.
Інтерфейс SSI : промислова версія синхронного послідовного інтерфейсу, що використовує диференціальну передачу тактового сигналу+даних, із сильною перешкодозахищеністю та відстанню передачі до 100 метрів. SSI підтримує роздільну здатність 12 25 біт і є основним інтерфейсом абсолютного кодера в промислових середовищах. Підходить для абсолютного позиціонування на великих відстанях у середовищах із сильними електромагнітними перешкодами.
Короткий посібник з вибору :
· Коротка відстань, низька вартість, орієнтація на контроль швидкості → односторонній інтерфейс ABZ
· Велика відстань, сильні перешкоди, потрібна абсолютна позиція → Диференціальний інтерфейс ABZ або SSI
· Висока точність, без необхідності наведення, контроль FOC → абсолютний інтерфейс SPI/SSI/I²C
3. Рекомендації щодо вибору трьох основних додатків роботів
3.1 Суглоби роботів (колаборативні роботи, гуманоїдні роботи)
З’єднання роботів вимагають від кодера найвищої точності, роздільної здатності та надійності. Зазвичай вибирають абсолютні кодери, що використовують технологію TMR або AMR. Рекомендована роздільна здатність становить 18 біт або вище, з точністю не гірше ±0,05°. Для зв’язку інтерфейс SPI може спілкуватися безпосередньо з мікросхемою спільного драйвера, що підходить для високого контролю FOC у реальному часі. Крім того, через компактний простір у з’єднаннях роботів слід віддавати перевагу невеликим упаковкам (наприклад, QFN 3 × 3 мм), які використовують із радіально намагніченими магнітами NdFeB.
3.2 Колісні системи AGV/AMV
Кодери коліс AGV в основному використовуються для замкнутого контролю швидкості та одометрії. Вимоги до роздільної здатності є помірними (достатньо 14-17 біт), але адаптивність до середовища та надійність є критично важливими. Оскільки AGV часто працюють у запилених і вологих середовищах, стійкість до забруднення магнітних кодерів є очевидною перевагою. Інтерфейс ABZ можна використовувати для підключення безпосередньо до драйвера двигуна або інтерфейс SSI для більшої відстані передачі.
3.3 Серводвигуни (промислова автоматизація)
Серводвигуни вимагають високої роздільної здатності для покращення плавності та динамічної жорсткості на низькій швидкості, а також достатньої точності для забезпечення правильного позиціонування. Рекомендована роздільна здатність починається з 15-17 біт, з точністю вище ±0,1°. Для зв’язку абсолютні інтерфейси стали основним вибором для високоякісних сервоприводів. Інтерфейси SSI або BiSS забезпечують стабільну передачу в промислових середовищах із сильними електромагнітними перешкодами.
4. Підводні камені, яких слід уникати після вибору
Навіть якщо параметри вибору правильні, практичні програми можуть зіткнутися з такими проблемами:
· Точність монтажу : ексцентриситет між магнітом і мікросхемою повинен суворо контролюватися, зазвичай ≤0,3 мм, з осьовим зазором 0,5-1,5 мм. Перевищення цих обмежень вносить додаткові нелінійні помилки.
· Електромагнітні перешкоди : сильні електромагнітні перешкоди від двигунів, інверторів тощо є основною причиною спотворення сигналу. Рекомендуються диференціальні вихідні інтерфейси в поєднанні з екранованими кабелями типу вита пара (екран із заземленням на одному кінці).
· Адаптованість до навколишнього середовища : для застосувань із безперервним зануренням у воду або конденсацією високої вологості вибирайте продукти зі ступенем захисту IP67 або вище. Для промислового класу зазвичай потрібна робоча температура від -40°C до +85°C.
5. Робот-датчики магнітного кодера SDM
У процесі вітчизняного виробництва магнітних кодерів SDM пішла на диференційований технологічний шлях у виробництві. Основні переваги їхніх магнітних датчиків-кодерів відображені в наступних трьох областях:
Інтегрований процес лиття під тиском : SDM використовує процес лиття під тиском для формування магнітних матеріалів та інженерного пластику за один прийом, замінюючи традиційний процес складання з кількох частин. Інтеграція з литтям під тиском забезпечує значні переваги: короткий процес, низьке споживання енергії, невеликі обмеження щодо форми, висока ефективність виробництва та хороша точність розмірів. Цей процес значно покращує узгодженість розмірів і механічну міцність магнітного кільця кодера, закладаючи основу для подальшої стабільності магнітних характеристик.
Технологія намагнічування магнітного друку : на стадії намагнічування SDM використовує високоточну технологію «магнітного друку» — малювання полюсів точка за точкою. У порівнянні зі звичайним об’ємним намагніченням, це значно покращує точність положення полюса та однорідність магнітного поля. Високоточні процеси намагнічування з високою кількістю полюсів вимагають надзвичайно точного обладнання та інструментів; вони повинні бути виконані на спеціальному багатополюсному намагнічувальному приладі з точним розташуванням і високоінтенсивними імпульсними магнітними полями. Накопичений досвід SDM у цій галузі дозволяє їхнім датчикам магнітного кодування досягати високого рівня точності поділу полюсів.
Повна перевірка форми сигналу : на відміну від більшості вітчизняних виробників магнітних кодерів, які покладаються на вибіркову перевірку, SDM виконує повну перевірку форми сигналу кожного датчика перед тим, як він покине завод. Кожен продукт проходить сканування форми сигналу в різних робочих умовах, що охоплює всі показники продуктивності: похибка міжполюсного кута, коливання напруженості магнітного поля, спотворення сигналу тощо. Повна перевірка означає, що кожен датчик, який отримує клієнт, був індивідуально перевірений шляхом фактичного вимірювання, що забезпечує кращу узгодженість і надійність продукту — критична перевага в додатках, таких як з’єднання роботів, де надійність датчика має першорядне значення.
Від лиття під тиском для забезпечення механічної бази магнітного кільця до намагнічування магнітного друку для забезпечення електричної точності магнітних полюсів і, нарешті, до повної перевірки форми сигналу, щоб гарантувати вихідну якість кожного продукту — повний замкнутий цикл процесу SDM забезпечує повну контрольованість кожного датчика магнітного кодера від матеріалу до готового продукту, забезпечуючи користувачам високу послідовність, високонадійний внутрішній магнітний кодер вибір.
