📘 Wiki Enkodéru
Magnetické enkodéry
Magnetické enkodéry využívají vícepólové magnety a magnetické snímače k převodu rotačního nebo lineárního pohybu na elektrické signály. Vyznačují se odolností vůči oleji a prachu, vysokou odolností proti vibracím, širokým teplotním rozsahem a velkými instalačními tolerancemi, a proto se běžně používají jako zpětnovazební prvky polohy v průmyslové automatizaci, automobilové a těžké technice, robotice a outdoorových zařízeních.
Co je magnetický enkodér (What is a Magnetic Encoder)
Magnetický enkodér je senzorový systém, který využívá periodickou změnu magnetického pole k měření polohy a rychlosti. Typická struktura se skládá z magnetu (vícepólový prstenec/pás, radiálně nebo axiálně zmagnetovaný permanentní magnet) a čtecí hlavy (magnetický senzorový čip a obvody pro úpravu signálu). Čtecí hlava v předepsané vzduchové mezeře snímá sinusové/kosinusové signály měnící se s posuvem. Po zpracování v analogové front-end části (AFE) a po interpolaci/dekódování enkodér generuje inkrementální A/B/Z, sinus/kosinus 1 Vpp (nebo proudový výstup), případně absolutní polohu přes SSI/BiSS/SPI/EnDat apod.
Ve srovnání s optickými enkodéry jsou magnetické varianty tolerantnější k prostředí, mají delší životnost a jsou nákladově efektivnější; v oblasti nejvyššího rozlišení, linearit a Sub-Division Error (SDE) však obvykle mírně zaostávají za špičkovými optickými řešeními.
Pracovní princip (Working Principle)
1) Magnetické snímací technologie
- Hall: nízké náklady, ověřená spolehlivost; střední přesnost polohy/úhlu; teplotní drift vyžaduje kompenzaci.
- AMR (anizotropní magnetorezistence): vyšší citlivost než Hall, lepší odolnost proti šumu.
- GMR/TMR (obří/tunelová magnetorezistence): nejvyšší citlivost a nízký šum, umožňuje vyšší rozlišení a menší vzduchové mezery; TMR má nižší teplotní drift, ale vyšší cenu.
- Diferenciální detekce: souhlasné/opačné kanály potlačují vnější bludná pole a společný teplotní drift, čímž zvyšují odolnost proti rušení.
2) Vznik signálu a výpočet úhlu
- Magnet s střídavým pólováním N/S po obvodu nebo v přímce vytváří periodické pole; čtecí hlava získává přibližně sin/cos signály. Úhel lze vypočítat:
theta = atan2(V_sin, V_cos). - Digitální interpolace nebo PLL jemně dělí úhel či posuv; absolutní provedení poskytuje jedinečný kód pomocí vícekruhového/jednokruhového kódování, redundantního počítání nebo rámce protokolu.
3) Vztah rychlosti a frekvence (textové vzorce)
- Rotační pohyb:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Lineární pohyb:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
(kde RPM je otáčky, pole_pairs počet párů pólů, edges_per_cycle počet platných hran na elektrický cyklus; v je lineární rychlost a p pólová rozteč magnetického pásu.)
Klasifikace (Classification)
- Podle druhu pohybu: rotační enkodéry (prstencové/radiální magnety, on-axis/off-axis) / lineární enkodéry (vícepólové magnetické pásky/mřížky).
- Podle výstupu: inkrementální (A/B/Z, TTL/HTL/RS422; sin/kos 1 Vpp, 11 µApp) / absolutní (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat, případně přes bránu na CANopen/EtherCAT aj.).
- Podle magnetu: vícepólové prstence (montáž na vnitřní/vnější průměr, pevná pólová rozteč), radiálně/axiálně zmagnetované válce (málo párů pólů, kompaktní), flexibilní magnetická páska (dlouhé zdvihy, snadná montáž).
- Podle snímačového čipu: jednočipové úhlové snímače (integrované AFE + CORDIC/SIN/COS) / diskrétní AFE + ADC + MCU/FPGA pro interpolaci a kódování.
Výstupy a rozhraní (Outputs & Interfaces)
| Kategorie | Typ signálu | Typické použití |
|---|---|---|
| Inkrementální obdélník | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Rychlé čítání PLC, rychlostní/polohové smyčky |
| Sinus/kosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Vysoké rozlišení interpolací, nízké SDE |
| Absolutní sériové | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Absolutní poloha, vícekruhové počítání, diagnostika |
| Sběrnice/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET (přes rozhranový modul) | Synchronizace více os, dlouhé vzdálenosti, on-line diagnostika |
Klíčové parametry (Key Specifications)
| Parametr | Typický rozsah / Poznámky |
|---|---|
| Rozlišení | Rotace: 12–18 bitů (Hall/AMR), 18–20+ bitů (GMR/TMR s interpolací); Lineárně: nativně 5–50 µm rozteč, interpolace na 1–5 µm, špičkové varianty až submikron |
| Úhlová přesnost | Absolutní rotační: ±0,05° až ±0,5° (dle magnetu a excentricity) |
| Opakovatelnost/jitter | Opakovatelnost lepší než ±0,05°; jitter závisí na SNR a hodinách interpolace |
| SDE (Sub-Division Error) | Typicky ≤ ±0,1° (high-end ≤ ±0,03°); u lineárních typů v µm |
| Vzduchová mezera | 0,5–2,5 mm (dle energie magnetu a snímací matice) |
| Pólová rozteč / páry pólů | Prstence běžně 2–64 párů pólů; pásky obvykle 2–5 mm |
| Max. rychlost | Mechanická rychlost > 10 000 RPM; lineární > 3 m/s (dle rozhraní) |
| Teplotní rozsah | −40 °C až +125/150 °C (automotive); nutná kompenzace teploty |
| Odolnost/krytí | IP50–IP67; odolné vůči olejové mlze, prachu, chladivům |
| EMC/ESD | Splňuje průmyslové/automotive EMC; klíčové je diferenciální vedení a stínění |
Pozn.: Skutečný výkon ovlivňuje materiál a kvalita zmagnetování, excentricita/náklon, vzduchová mezera, stínění a algoritmická kompenzace.
Magnet a mechanika (Magnet & Mechanics)
- Volba materiálu magnetu: NdFeB (vysoký energetický součin; náchylnost k demagnetizaci – nutná tepelná kontrola), SmCo (stabilita při vysokých teplotách; vyšší cena), ferit (nízké náklady; větší objem).
- Způsob magnetizace: radiální/axiální nebo vícepólová prstencová magnetizace; rovnoměrnost pólové rozteče přímo ovlivňuje linearitu a harmonické chyby.
- Geometrické chyby: excentricita (házení) vyvolává 1./2. harmonickou úhlové chyby; náklon/axiální házení způsobují nevyváženost amplitudy/fáze a zkreslení.
- Tolerance vzduchové mezery: příliš velká → útlum amplitudy a nižší SNR; příliš malá → riziko dotyku a teplotní nesoulad.
- Odolnost vůči bludným polím: diferenciální struktury, koncentrátory toku nebo stínicí kroužky; vzdálit od silných zubových harmonických motoru; v případě potřeby ověřit stray-field immunity.
Chyby a kompenzace (Error Sources & Compensation)
- Nevyváženost amplitudy/fáze a eliptická chyba: snižujte SDE pomocí AGC, fázového vyrovnání a eliptické kompenzace.
- Teplotní drift: modelujte teplotní koeficienty senzoru a remanenci magnetu vs. teplota; korigujte pomocí on-line měření teploty.
- Excentricita/chyby pólové rozteče: tovární linearizace LUT nebo kalibrace v systému (vícebodové fitování/harmonická kompenzace).
- Bludná pole/EMI: diferenciální vedení, RS422 přenos, stínění a jednobodové uzemnění; v případě potřeby měkké železné stínění.
- Vícekruhové počítání: uchování počtu při výpadku napájení pomocí energy harvesting, ozubení, nebo FRAM/NVRAM, s kontrolami redundance.
Srovnání (Comparisons)
| Technologie | Rozlišení/Přesnost | Odolnost vůči prostředí | Náklady | Typické aplikace |
|---|---|---|---|---|
| Magnetický enkodér | ★★★☆ (až 18–20+ bitů) | ★★★★★ | ★★☆ | Průmysl/automotive, drsné prostředí, dlouhá životnost |
| Optický enkodér | ★★★★★ (řád nm/arcsec) | ★★☆ | ★★★★ | Přesné obráběcí stroje, metrologie, polovodičové platformy |
| Induktivní enkodér | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Vysoké teploty/silné EMI, těžké stroje |
| Resolver | ★★☆ (analogová demodulace) | ★★★★★ | ★★★ | Zpětná vazba motoru s vysokými vibracemi/teplotami |
| Potenciometr | ★ | ★★ | ★ | Nízké náklady, krátká životnost/nízká přesnost |
Aplikace (Applications)
- Průmyslová automatizace: dopravníky a těžké mechanismy, hybridní servo/krokové systémy, výtahy a přístavní technika.
- Automotive/doprava: komutace a poloha motoru, řízení a pedály, podvozek a nastavení sedadel (prostředí ISO 26262).
- Robotika a kolaborativní roboty: kloubové úhly, AGV/AMR kolové enkodéry, venkovní mobilní platformy.
- Obnovitelné zdroje a outdoorová zařízení: solární/větrné sledování, ventily a aktuátory, těžba a stavební stroje.
Poznámky k instalaci a integraci (Installation & Integration)
- Vycentrování/souosost: u rotačních typů preferujte ustavovací hranu/přípravek; kontrolujte radiální i axiální házení; u lineárních typů zaručte rovinnost pásky a stabilní nosič.
- Nastavení vzduchové mezery: řiďte se katalogem s rezervou pro celý teplotní rozsah; ověřte minimální SNR a amplitudovou rezervu při maximální rychlosti.
- Vedení a zakončení: preferujte diferenciální RS422 nebo proudový výstup; dbejte na impedanční přizpůsobení, stínění a jednobodové uzemnění pro eliminaci smyček.
- Parametry protokolu: SSI/BiSS/SPI/EnDat musí mít shodnou délku rámce, CRC, časování a alarmové bity s řídicím systémem.
- Redundance a bezpečnost: na kritických osách použijte dvojkanálové/dvojité snímání s kontrolou shody (SIL/PL nebo ASIL).
Normy a shoda (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (krytí IP) / IEC 60068-2 (vibrace/rázy/vysoké-nízké teploty/vlhkost)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (průmyslová EMC imunita/emise), ISO 7637 (automotive přechodové jevy)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (funkční bezpečnost strojů/pohonů/automotive)
- AEC-Q100/Q200 (spolehlivost automobilových součástek pro senzorové IC a pasivy)
Konkrétní požadavky na shodu je třeba přizpůsobit danému odvětví a projektu.
Průvodce výběrem (Selection Guide)
- Cílová přesnost: úhlová přesnost/linearita, rozlišení, SDE a cíle pro jitter.
- Snímací technologie: Hall (priorita nákladů) / AMR / GMR / TMR (priorita rozlišení a teplotního driftu).
- Magnetická koncepce: vícepólový prstenec/pás/jeden magnet; pólová rozteč a rozměry, materiál a teplotní třída.
- Výstupní rozhraní: inkrementální/sinus nebo SSI/BiSS/SPI/EnDat; potřeba sběrnicové brány a on-line diagnostiky.
- Prostředí a životnost: stupeň krytí IP, teploty/olejová mlha/prach, odolnost vůči bludným polím; pro automotive/outdoor zvolte automotive kvalifikaci a životnost.
- Mechanika a vzduchová mezera: povolené chyby vycentrování, okno vzduchové mezery, limity rychlosti; montážní přípravky a sériová konzistence.
- Kompenzace a kalibrace: podpora LUT pro teplotu/harmonické/linearizaci; strategie tovární vs. in-situ kalibrace.
- Bezpečnost a redundance: úroveň funkční bezpečnosti, fail-safe chování a rozhraní monitorování poruch.
Slovníček (Glossary)
- Pólová rozteč / páry pólů (pole pitch/pairs): prostorová délka jednoho N–S cyklu / počet párů pólů.
- SDE (Sub-Division Error): chyba jemného dělení; reziduální periodická chyba po interpolaci.
- Stray-field immunity: odolnost vůči vnějším bludným magnetickým polím.
- CTE: součinitel tepelné roztažnosti; ovlivňuje teplotní sladění magnetu a mechanických dílů.
Shrnutí: Ovládnutí principů magnetického snímání, návrhu magnetu a mechaniky, rozhraní a kompenzačních strategií a jejich sladění s cílovou přesností a provozními podmínkami umožní dosáhnout vysoce spolehlivého, dlouhoživotného a diagnostikovatelného řízení pohybu a zpětné vazby polohy i v náročném prostředí.