المشفّرات المغناطيسية
المشفّر المغناطيسي يعتمد على المغناطيس متعدّد الأقطاب مع مستشعرات مغناطيسية لتحويل الإزاحة الدورانية أو الخطية إلى إشارة كهربائية. يتميّز بمقاومة الزيت والغبار والاهتزاز، وبمجال حراري واسع وتسامح كبير في التركيب. لذا يُعدّ واحدًا من أكثر عناصر تغذية الموقع استخدامًا في الأتمتة الصناعية والسيارات والمعدات الثقيلة والروبوتات والتجهيزات الخارجية.
ما هو المشفّر المغناطيسي (What is a Magnetic Encoder)
المشفّر المغناطيسي نظام استشعار يقيس الموضع والسرعة باستغلال التغيّر الدوري للمجال المغناطيسي. يتركّب عادةً من مغناطيس (حلقة/شريط متعدّد الأقطاب أو مغناطيس مشحون شعاعيًا/محوريًا) ورأس قراءة (شريحة استشعار مغناطيسي مع دارات تكييف الإشارة). ضمن فجوة هوائية محدّدة يستشعر رأس القراءة مركّبَيْ جيوب/جيب تمام (sin/cos) المتغيّرين مع الإزاحة، ثم تُعالَج الإشارة عبر واجهة تماثلية واستيفاء/فك ترميز لإخراج: A/B/Z تزايدي، أو 1 Vpp جيوب/جيب تمام (أو واجهة تيارية 11 µApp)، أو موضعًا مطلقًا عبر بروتوكولات SSI / BiSS-C / SPI / EnDat. مقارنةً بالمشفّرات الضوئية، يتمتّع المشفّر المغناطيسي بملاءمة بيئية أعلى وعمر أطول وتكلفة أفضل؛ لكن عند الحدود القصوى للدقة والخطية وخطأ التقسيم الفرعي SDE يكون أدنى قليلًا من حلول الجيل الضوئي الراقية.
مبدأ العمل (Working Principle)
1) تقنيات الاستشعار المغناطيسي
- هول (Hall): تكلفة منخفضة ونضج اعتمادي؛ دقة زاوية متوسطة؛ يحتاج تعويض الانحراف الحراري.
- AMR – المقاومة المغناطيسية متباينة الاتجاه: حساسية أعلى من هول ومناعة ضوضاء أفضل.
- GMR/TMR – المقاومة المغناطيسية العملاقة/النفقية: أعلى حساسية وضوضاء منخفضة، تدعم دقة أعلى وفجوات هوائية أصغر؛ TMR انحرافها الحراري أقل لكن تكلفتها أعلى.
- القياس التفاضلي: قنوات متطابقة/معاكسة الطور لإلغاء المجال الشارد والانجراف المشترك، ورفع المناعة ضد التداخل.
2) تشكيل الإشارة وحساب الزاوية
- يُشحَن المغناطيس حول المحيط أو على خط مستقيم بأقطاب N/S متناوبة لتكوين مجال دوري، ويحصل رأس القراءة على قناتَي sin/cos تقريبيتين؛ حساب الزاوية مثلًا: `theta = atan2(V_sin, V_cos)`.
- يجري الاستيفاء الرقمي أو استخدام PLL لتقسيم الزاوية/الإزاحة إلى أجزاء أدق؛ وتُنتج الأنظمة المطلقة قيمة وحيدة عبر ترميز أحادي/متعدّد الدورات وبروتوكولات سَلكية.
3) العلاقة بين السرعة والتردد (صيغ نصيّة)
- دوراني: `f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle`
- خطي: `f ≈ (v / p) × edges_per_cycle`
حيث RPM سرعة الدوران، وpole_pairs عدد أزواج الأقطاب، وedges_per_cycle عدد الحواف الفعّالة لكل دورة كهربائية؛ وv السرعة الخطية، وp خطوة القطب للشريط المغناطيسي.
التصنيف (Classification)
- حسب نمط الحركة: مشفّر دوّار (حلقة/مغناطيس شعاعي أو محوري، على المحور/خارج المحور) / مشفّر خطي (شريط/شبكة مغناطيسية متعدّدة الأقطاب).
- حسب المخرج: تزايدي (A/B/Z، مستويات TTL/HTL/RS422؛ جيوب/جيب تمام 1 Vpp، 11 µApp) / مطلق (SSI، BiSS-C، SPI، EnDat؛ أو عبر بوابات إلى CANopen/EtherCAT…).
- حسب المغناطيس: حلقات متعدّدة الأقطاب (أبعاد داخلية/خارجية وخطوة قطب ثابتة)، مغناطيسات مشحونة شعاعيًا/محوريًا (أزواج أقطاب قليلة وحجم صغير)، أشرطة مرنة (مشاوير طويلة وسهلة التركيب).
- حسب الشريحة: مستشعر زاوية مُدمج (AFE + CORDIC/SIN/COS) / بنية مكوّنات منفصلة (AFE + ADC + MCU/FPGA للاستيفاء والترميز).
المخارج والواجهات (Outputs & Interfaces)
| الفئة | نمط الإشارة | السيناريو النموذجي |
|---|---|---|
| تزايدي مربّع | A/B (+Z)، TTL/HTL/RS422 | عدّاد PLC عالي السرعة، حلقات السرعة/الموضع |
| جيوب/جيب تمام | 1 Vpp، 11 µApp | استيفاء عالي الدقة، SDE منخفض |
| تسلسلي مطلق | SSI، BiSS-C، SPI، EnDat 2.2 | موضع مطلق، عدّ متعدّد الدورات، تشخيص |
| ناقل/إيثرنت صناعي | CANopen، EtherCAT، PROFINET (عبر وحدات واجهة) | تزامن عديد المحاور، المسافات الطويلة، التشخيص عبر الشبكة |
المواصفات الرئيسية (Key Specifications)
| المؤشر | المدى النموذجي / الشرح |
|---|---|
| الدقة/التمييز | دوّار: 12–18 بت (Hall/AMR)، و18–20+ بت (GMR/TMR مع الاستيفاء). خطي: شبكة 5–50 µm تُستوفى حتى 1–5 µm، والراقية دون الميكرومتر. |
| دقة الزاوية | مطلق دوّار: ±0.05° ~ ±0.5° (تتأثر بالمغناطيس واللا تمركز). |
| التكرارية/الهَزّ | تكرارية أفضل من ±0.05°؛ الهزّ يعتمد على SNR وتردد ساعة الاستيفاء. |
| SDE – خطأ التقسيم الفرعي | عادةً أفضل من ±0.1° (راقٍ ≤ ±0.03°)؛ في الخطي تُقاس بالميكرومتر. |
| الفجوة الهوائية | 0.5–2.5 مم (وفق طاقة المغناطيس ومصفوفة الاستشعار). |
| خطوة/أزواج الأقطاب | حلقات: 2–64 زوجًا شائعًا؛ أشرطة: خطوة 2–5 مم شائعة. |
| السرعة القصوى | دوّار > 10,000 RPM؛ خطي > 3 m/s (تبعًا للواجهة). |
| المدى الحراري | −40 إلى +125/150 °م (فئة سيارات) مع تعويض حراري. |
| مقاومة التلوّث/الحماية | IP50–IP67؛ صديق للزيوت والغبار وسائل التبريد. |
| EMC/ESD | يلبّي اشتراطات EMC الصناعية/السيارات؛ التصميم التفاضلي والتدريع أساسيان. |
ملاحظة: الأداء الفعلي يتأثر بمادة المغناطيس وجودة الشحن، واللا تمركز/الميل، والفجوة الهوائية، والتدريع، وخوارزميات التعويض.
المغناطيس والتصميم الميكانيكي (Magnet & Mechanics)
- اختيار المادة: NdFeB (طاقة عالية، قابلية إزالة المغنطة تحتاج ضبط حراري)، SmCo (ثبات حراري عالٍ وتكلفة أعلى)، الفيرّيت (تكلفة منخفضة وحجم أكبر).
- طريقة الشحن: شعاعي/محوري أو حلقي متعدّد الأقطاب؛ تجانس خطوة القطب مؤثّر مباشرًا على الخطية والتوافقيات.
- أخطاء الهندسة: اللا تمركز (runout) يولّد خطأ توافقيًا من الدرجة الأولى/الثانية؛ الميل/التمايل يسبّبان لا توازن في السعة والطور وتشويهًا.
- تسامح الفجوة الهوائية: الكبيرة تقلّل السعة وSNR؛ الصغيرة قد تسبب احتكاكًا وعدم تطابق حراري.
- مقاومة المجال الشارد: هياكل تفاضلية، تركيز الفيض أو حلقات تدريع، والابتعاد عن التوافقيات المسنّنة لستاتور المحركات؛ قيّم مناعة المجال الشارد عند الحاجة.
مصادر الخطأ والتعويض (Error Sources & Compensation)
- لا توازن السعة/الطور وبيضاوية الإشارة: خفّض SDE عبر AGC وتوازن الطور وتعويض البيضاوية.
- الانحراف الحراري: نمذجة معاملات الحرارة لمستشعر/مغناطيس؛ تصحيح فوري عبر قياس درجة الحرارة.
- اللا تمركز/خطوة القطب: LUT للخطية في المصنع أو معايرة في الموقع (ملاءمة متعددة النقاط/تعويض توافقي).
- المجالات الشاردة/EMI: توصيل تفاضلي، RS422، تدريع وتأريض بنقطة واحدة؛ أضف تدريعًا حديديًا لينًا عند الحاجة.
- عدّ متعدّد الدورات: حفظ العدّ أثناء انقطاع الطاقة عبر الطاقة المستعادة/تروس/FRAM/NVRAM مع فحوص اتساق زائدة.
مقارنة مع تقنيات أخرى (Comparisons)
| التقنية | الدقة/التمييز | الملاءمة البيئية | الكلفة | التطبيقات النموذجية |
|---|---|---|---|---|
| مشفّر مغناطيسي | ★★★☆ (حتى 18–20+ بت) | ★★★★★ | ★★☆ | صناعة/سيارات، بيئات قاسية، عمر طويل |
| مشفّر ضوئي | ★★★★★ (نانو/ثانية قوسية) | ★★☆ | ★★★★ | ماكينات دقيقة، القياس، منصات أشباه الموصلات |
| مشفّر حثّي | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | حرارة عالية/EMI قوي، معدات ثقيلة |
| محوّل دوّار (Resolver) | ★★☆ (تناظري) | ★★★★★ | ★★★ | اهتزاز/حرارة عالية، ارتجاع محركات |
| مقياس جهد | ★ | ★★ | ★ | تكلفة منخفضة، عمر قصير/دقة متواضعة |
التطبيقات (Applications)
- الأتمتة الصناعية: أنظمة النقل والأحمال الثقيلة، أنظمة سيرفو/خطوة هجينة، المصاعد ومعدات الموانئ.
- السيارات/المواصلات: تبديل الطور في المحركات وتحديد الموضع، التوجيه والدواسات، وضعيات الهيكل والمقاعد (ISO 26262).
- الروبوتات والأذرع التعاونية: زوايا المفاصل، عجلات AGV/AMR، المنصّات المتنقلة الخارجية.
- الطاقة المتجددة والمعدات الخارجية: تتبّع الرياح والطاقة الشمسية، الصمامات والمشغّلات، معدات التعدين والإنشاء.
نقاط التركيب والدمج (Installation & Integration)
- المحورية/التراكز: استخدم حواف تموضع/جيجات للدوّار مع ضبط الاختلالين الشعاعي والمحوري؛ وفي الخطي حافظ على استقامة الشريط واستقرار الحامل.
- تعيين الفجوة الهوائية: اتّبع ورقة البيانات مع هامش عبر المجال الحراري؛ تحقّق من هامش السعة عند أقصى سرعة وأدنى SNR.
- التوصيل والإنهاء: فضّل التفاضلي RS422 أو الواجهة التيارية؛ طابِق الممانعة وطبّق التدريع والتأريض بنقطة واحدة لتجنّب الحلقات.
- معاملات البروتوكول: أطوال الإطارات وCRC والتواقيت وبتّات التنبيه في SSI/BiSS/SPI/EnDat يجب أن تتطابق مع المتحكّم.
- الازدواجية والسلامة: في المحاور الحرجة استخدم قناتين/مستشعرين مع مراقبة الاتساق (SIL/PL أو ASIL).
المعايير والامتثال (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (درجات IP) / IEC 60068-2 (اهتزاز/صدمة/حرارة/رطوبة)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (مناعة/انبعاثات EMC صناعية)، ISO 7637 (انتقالات المركبات)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (سلامة وظيفية للآلات/المحركات/السيارات)
- AEC-Q100/Q200 (اعتمادية مكوّنات فئة السيارات للمستشعرات/السلع الساكنة)
تُختار بنود الامتثال حسب الصناعة ومتطلبات المشروع.
دليل الاختيار (Selection Guide)
- أهداف الدقة: دقة الزاوية/الخطية، التمييز، SDE والهزّ.
- تقنية الاستشعار: Hall (تفضيل الكلفة) / AMR / GMR / TMR (تفضيل الدقة والانحراف الحراري).
- حلّ المغناطيس: حلقة/شريط/مغناطيس منفرد؛ خطوة القطب والأبعاد، المادة والدرجة الحرارية.
- واجهة الخرج: تزايدي/جيوب أو SSI/BiSS/SPI/EnDat؛ هل يلزم بوابة ناقل وتشخيص عبر الشبكة.
- البيئة والعمر: درجة IP، زيت/غبار/سوائل تبريد، مناعة المجال الشارد؛ لمجالات السيارات/الخارج يلزم مواصفات سيارات/تحمّل.
- الميكانيك والفجوة: تسامح عدم التمركز، نافذة الفجوة، حد السرعة؛ جيجات تركيب وتجانس على الدُفعات.
- التعويض والمعايرة: دعم تعويض حراري/توافقي/LUT للخطية؛ في المصنع أو في الموقع.
- السلامة والازدواجية: مستوى السلامة الوظيفية، Fail-Safe، وواجهات مراقبة الأعطال.
المراجع والمصطلحات (Glossary)
- خطوة/أزواج القطب (pole pitch/pairs): طول دورة N-S في الفضاء/عدد الأزواج.
- SDE (Sub-Division Error): خطأ تقسيم فرعي؛ خطأ دوري متبقٍ بعد الاستيفاء.
- Stray-Field Immunity: المناعة ضد المجالات المغناطيسية الشاردة.
- CTE: معامل التمدّد الحراري؛ يؤثر على توافق المغناطيس/الأجزاء مع تغيّر الحرارة.
الخلاصة: إن فهم مبادئ الاستشعار المغناطيسي، وتصميم المغناطيس والميكانيك، والواجهات وخطط التعويض—ثم المواءمة مع أهداف الدقة وظروف التشغيل—يمكّنك من تحقيق ارتجاع موضع موثوق وطويل العمر وقابل للتشخيص في البيئات القاسية.