انکودرهای مغناطیسی
انکودرِ مغناطیسی با تکیه بر مغناطیس‌های چندقطبی و حسگرهای مغناطیسی، جابجایی دورانی یا خطی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این فناوری در برابر روغن، گردوغبار و ارتعاش مقاوم است، گستره دمایی وسیعی دارد و تلرانس نصب بزرگی می‌پذیرد؛ ازاین‌رو یکی از رایج‌ترین عناصر بازخورد موقعیت در اتوماسیون صنعتی، خودرو و تجهیزات سنگین، رباتیک و تجهیزات فضای باز به‌شمار می‌آید.
انکودر مغناطیسی چیست (What is a Magnetic Encoder)
انکودر مغناطیسی سامانه‌ایِ حسگری برای اندازه‌گیری موقعیت و سرعت با بهره‌گیری از تغییرات دوره‌ای میدان مغناطیسی است. ساختار典型 از مغناطیس (حلقه/نوار چندقطبی یا آهنربای با شارژ شعاعی/محوری) و هد خوانش (تراشه حسگر مغناطیسی به‌همراه مدارهای تنظیم سیگنال) تشکیل می‌شود. در شکاف هواییِ تعریف‌شده، هد خوانش مؤلفه‌های تقریباً sin/cos را که با جابجایی تغییر می‌کنند حس می‌کند؛ سپس سیگنال از طریق جبههٔ آنالوگ و درون‌یابی/دِکُد پردازش شده و به خروجی‌های تزایدی A/B/Z، یا sin/cos با 1 Vpp (یا رابط جریان‌محور 11 µApp) و یا موقعیت مطلق از طریق SSI / BiSS-C / SPI / EnDat تبدیل می‌شود.
در مقایسه با انکودرهای نوری، انکودر مغناطیسی سازگاری محیطی بالاتر، طول عمر بیشتر و هزینهٔ مناسب‌تر دارد؛ بااین‌حال در مرزهای حداکثریِ تفکیک‌پذیری، خطیّت و خطای تقسیم‌بندی زیر‌دوره (SDE) معمولاً اندکی پایین‌تر از راهکارهای نوریِ رده‌بالاست.
اصل کارکرد (Working Principle)
1) فناوری‌های حسگری مغناطیسی
- هال (Hall): کم‌هزینه و پخته از منظر قابلیت اطمینان؛ دقت زاویه/موقعیت متوسط؛ نیازمند جبران رانش حرارتی.
- AMR – مقاومت مغناطیسی ناهمسو: حساسیت بیشتر از هال و مصونیت بهتر در برابر نویز.
- GMR/TMR – مقاومت مغناطیسی غول‌آسا/تونلی: بیشترین حساسیت و نویز کم؛ پشتیبانی از تفکیک‌پذیری بالاتر و شکاف‌های هوایی کوچک‌تر؛ TMR رانش حرارتی کمتر اما گران‌تر.
- اندازه‌گیری تفاضلی: کانال‌های هم‌فاز/ضد‌فاز برای حذف میدان‌های سرگردان و رانش مشترک، و افزایش ایمنی در برابر تداخل.
2) شکل‌گیری سیگنال و محاسبه زاویه
- مغناطیس در پیرامون دایره یا امتداد خط، با قطب‌های متناوب N/S شارژ می‌شود و میدان دوره‌ای می‌سازد؛ هد خوانش دو کانال تقریبی sin/cos را به‌دست می‌آورد؛ محاسبه زاویه مثلاً با رابطهٔ
`theta = atan2(V_sin, V_cos)`. - درون‌یابی دیجیتال یا PLL برای خردکردن زاویه/جابجایی به گام‌های ریزتر به‌کار می‌رود؛ نوع مطلق با کُدگذاری تک‌دور/چند‌دور، شمارش افزونه‌ای و/یا چارچوب‌های پروتکلی مقدار یکتای موقعیت را می‌دهد.
3) رابطهٔ سرعت و فرکانس (فرمول‌های متنی)
- دورانی: `f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle`
- خطی: `f ≈ (v / p) × edges_per_cycle`
که در آن RPM سرعت دورانی، pole_pairs تعداد جفت‌قطب‌ها، edges_per_cycle شمار لبه‌های مؤثر هر دورهٔ الکتریکی، v سرعت خطی و p گام قطبِ نوار مغناطیسی است.
طبقه‌بندی (Classification)
- بر پایهٔ نوع حرکت: انکودر دوّار (حلقه/آهنربای شعاعی یا محوری، روی‌محور/خارج‌محور (on-axis/off-axis)) / انکودر خطی (نوار/شبکهٔ مغناطیسیِ چندقطبی).
- بر پایهٔ خروجی: تزایدی (A/B/Z با سطوح TTL/HTL/RS422؛ یا sin/cos 1 Vpp و 11 µApp) / مطلق (SSI، BiSS-C، SPI، EnDat؛ و در صورت نیاز از طریق درگاه‌ها به CANopen/EtherCAT و …).
- بر پایهٔ مغناطیس: حلقه‌های چندقطبی (قطر داخلی/خارجی، گام قطب ثابت)، آهنرباهای شارژ شدهٔ شعاعی/محوری (جفت‌قطب کم و ابعاد کوچک)، نوارهای انعطاف‌پذیر (مسیرهای طولانی و نصب آسان).
- بر پایهٔ تراشهٔ حسگر: سنجش زاویهٔ یک‌تراشه‌ای (یکپارچه با AFE + CORDIC/SIN/COS) / معماری غیر‌یکپارچه (AFE + ADC + MCU/FPGA برای درون‌یابی و کُدگذاری).
خروجی‌ها و رابط‌ها (Outputs & Interfaces)
| رده | الگوی سیگنال | کاربرد نمونه |
|---|---|---|
| تزایدیِ مربعی | A/B (+Z)، TTL/HTL/RS422 | شمارندهٔ پرسرعت PLC، حلقهٔ سرعت/موقعیت |
| جیبی/کازاینوسی | 1 Vpp، 11 µApp | درون‌یابیِ با تفکیک بالا، کاربردهای با SDE پایین |
| سریال مطلق | SSI، BiSS-C، SPI، EnDat 2.2 | موقعیت مطلق، شمارش چنددوره، تشخیص/عیب‌یابی |
| گذرگاه/اترنت صنعتی | CANopen، EtherCAT، PROFINET (از طریق ماژول رابط) | همگام‌سازی چندمحوره، فواصل طولانی و پایش آنلاین |
مشخصات کلیدی (Key Specifications)
| شاخص | بازهٔ معمول / توضیح |
|---|---|
| تفکیک‌پذیری | دوّار: 12–18 بیت (Hall/AMR)، و 20+–18 بیت (GMR/TMR با درون‌یابی). خطی: شبکهٔ 5–50 µm با درون‌یابی تا 1–5 µm؛ نمونه‌های ممتاز تا زیر‌میکرون. |
| دقت زاویه | مطلق دوّار: °±0.05 تا °±0.5 (وابسته به مغناطیس و خروج از مرکز). |
| تکرارپذیری/جیتِر | تکرارپذیری بهتر از °±0.05؛ جیتِر تابع SNR و فرکانس ساعتِ درون‌یابی. |
| SDE – خطای تقسیم‌بندی زیر‌دوره | عموماً بهتر از °±0.1 (رده‌بالا ≤ °±0.03)؛ در نوع خطی به µm بیان می‌شود. |
| شکاف هوایی | 0.5–2.5 mm (بر مبنای انرژی مغناطیس و آرایهٔ حسگر). |
| گام/جفت‌قطب | حلقه‌ها معمولاً 2 تا 64 جفت‌قطب؛ نوارها با گام‌های 2–5 mm رایج. |
| سرعت بیشینه | دوّار: بیش از 10,000 RPM؛ خطی: بیش از 3 m/s (وابسته به رابط). |
| بازهٔ دمایی | °C −40 تا +125/150 (ردهٔ خودرویی) با جبران حرارتی. |
| مقاومت آلودگی/حفاظت | IP50–IP67؛ مقاوم در برابر روغن، غبار و سیالات خنک‌کاری. |
| EMC/ESD | انطباق با الزامات EMC صنعتی/خودرویی؛ طراحی تفاضلی و شیلد حیاتی است. |
تذکر: کارایی واقعی تحت‌تأثیر ماده و کیفیت شارژ مغناطیس، خروج از مرکز/زاویهٔ کج، شکاف هوایی، شیلدینگ و الگوریتم‌های جبران است.
مغناطیس و طراحی مکانیکی (Magnet & Mechanics)
- گزینش مادهٔ مغناطیسی: NdFeB (انرژی بالا، مستعد دِمغناطیسه‌شدن؛ کنترل حرارتی لازم)، SmCo (پایداری دمایی عالی و هزینهٔ بالاتر)، فِرّیت (کم‌هزینه و حجیم).
- روش شارژ: شعاعی/محوری یا حلقه‌ایِ چندقطبی؛ یکنواختیِ گام قطب به‌طور مستقیم بر خطیّت و اعوجاج‌های هارمونیکی اثر می‌گذارد.
- خطاهای هندسی: خروج از مرکز (runout) خطای زاویه‌ایِ هارمونیک مرتبهٔ 1 و 2 ایجاد می‌کند؛ زاویهٔ کج/پرش محوری ناترازی دامنه/فاز و اعوجاج را سبب می‌شود.
- تلرانس شکاف هوایی: بزرگ‌بودن بیش از حد باعث افت دامنه و SNR؛ کوچک‌بودن بیش از حد خطر تماس مکانیکی و ناهماهنگی حرارتی را بالا می‌برد.
- ایمنی در برابر میدان سرگردان: ساختارهای تفاضلی، تمرکز شار یا حلقهٔ شیلد؛ دوری از هارمونیک دندانه‌های استاتور موتور؛ در صورت لزوم ارزیابی Stray-Field Immunity.
منابع خطا و جبران (Error Sources & Compensation)
- ناترازی دامنه/فاز و بیضوی‌شدن سیگنال: کاهش SDE با AGC، توازن فاز و جبران بیضوی.
- رانش حرارتی: مدل‌سازی ضریب دمایی حسگر/مغناطیس و تغییر ماندگاری با دما؛ تصحیح برخط بر پایهٔ اندازه‌گیری دما.
- خروج از مرکز/خطای گام قطب: LUT خطی‌سازی در کارخانه یا کالیبراسیون در محل (برازش چندنقطه‌ای/جبران هارمونیکی).
- میدان‌های سرگردان/EMI: سیم‌کشی تفاضلی، انتقال RS422، شیلدینگ و زمین تک‌نقطه؛ در صورت نیاز شیلد آهن نرم بیفزایید.
- شمارش چنددوره: حفظ شمارش در قطع برق با بازیابی انرژی/چرخ‌دنده/FRAM/NVRAM همراه با آزمون‌های اتساق افزونه‌ای.
مقایسه با فناوری‌های دیگر (Comparisons)
| فناوری | تفکیک/دقت | سازگاری محیطی | هزینه | کاربرد نمونه |
|---|---|---|---|---|
| انکودر مغناطیسی | ★★★☆ (تا 20+–18 بیت) | ★★★★★ | ★★☆ | صنعت/خودرو، محیط‌های سخت، عمر طولانی |
| انکودر نوری | ★★★★★ (nm / ثانیهٔ قوسی) | ★★☆ | ★★★★ | ماشین‌ابزار دقیق، مترو‌لژی، سکوهای نیمه‌رسانا |
| انکودر القایی | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | دمای بالا/EMI شدید، ماشین‌آلات سنگین |
| رزولور | ★★☆ (آنالوگ) | ★★★★★ | ★★★ | ارتعاش/حرارت زیاد، فیدبک موتور |
| پتانسیومتر | ★ | ★★ | ★ | کم‌هزینه، عمر کوتاه/دقت پایین |
کاربردها (Applications)
- اتوماسیون صنعتی: انتقال مواد و مکانیزم‌های سنگین، سامانه‌های سروو/استپر ترکیبی، آسانسور و تجهیزات بندری.
- خودرو/حمل‌ونقل: کموتاسیون و موقعیت‌یابی موتور، فرمان و پدال‌ها، موقعیت شاسی و صندلی (محیط‌های ISO 26262).
- رباتیک و بازوهای همکار: زاویهٔ مفاصل، انکودر چرخ AGV/AMR، سکوهای متحرک بیرونی.
- انرژی‌های تجدیدپذیر و تجهیزات فضای باز: رهگیری خورشیدی/بادی، شیرها و محرک‌ها، ماشین‌آلات معدن و ساخت‌وساز.
نکات نصب و یکپارچه‌سازی (Installation & Integration)
- هم‌محوری/هم‌راستایی: در نوع دوّار از شانهٔ موقعیت‌دهی/جیگ استفاده کنید و خروج از مرکز شعاعی و پرش محوری را کنترل کنید؛ در نوع خطی، راستای نوار و پایداری حامل را تضمین کنید.
- تنظیم شکاف هوایی: مطابق دیتاشیت و با حاشیهٔ اطمینان در کل بازهٔ دمایی؛ حاشیهٔ دامنه را در کمترین SNR و بیشترین سرعت راستی‌آزمایی کنید.
- سیم‌کشی و انتهای‌بندی: اولویت با رابط تفاضلی RS422 یا جریان‌محور؛ تطبیق امپدانس، شیلدینگ و زمین تک‌نقطه برای پرهیز از حلقه‌های زمین.
- پارامترهای پروتکل: طول فریم، CRC، زمان‌بندی و بیت‌های هشدار در SSI/BiSS/SPI/EnDat باید با کنترلر سازگار باشد.
- افزونگی و ایمنی: برای محورها‌ی بحرانی از دو کانال/دو حسگر با پایش اتساق استفاده کنید (SIL/PL یا ASIL).
استانداردها و انطباق (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (درجه‌های IP) / IEC 60068-2 (ارتعاش/ضربه/دما/رطوبت)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (مناعة/تشعشع EMC صنعتی)، ISO 7637 (گذارهای الکتریکی خودرویی)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (ایمنی عملکردی ماشین/درایو/خودرو)
- AEC-Q100/Q200 (قابلیت اطمینان قطعاتِ ردهٔ خودرویی برای حسگر/منفعل‌ها)
اقلام انطباق بسته به صنعت و نیاز پروژه انتخاب می‌شوند.
راهنمای انتخاب (Selection Guide)
- اهداف دقت: دقت زاویه/خطیّت، تفکیک‌پذیری، SDE و جیتِر.
- فناوری حسگری: Hall (ارزان‌محور) / AMR / GMR / TMR (دقت و پایداری حرارتی‌محور).
- طرح مغناطیس: حلقه/نوار/آهنربای تکی؛ گام قطب و ابعاد، ماده و گرید حرارتی.
- رابط خروجی: تزایدی/جیبی یا SSI/BiSS/SPI/EnDat؛ نیاز به درگاه گذرگاه و پایش آنلاین را بسنجید.
- محیط و عمر: درجهٔ IP، روغن/گردوغبار/سیال خنک‌کاری، مصونیت میدان سرگردان؛ برای بیرون/خودرو الزامات خودرویی/دوام را لحاظ کنید.
- مکانیک و شکاف: تلرانس هم‌محوری، پنجرهٔ شکاف، حد سرعت؛ جیگ‌های نصب و یکنواختی در تیراژ.
- جبران و کالیبراسیون: پشتیبانی از جبران حرارتی/هارمونیکی/LUT خطی‌سازی؛ در کارخانه یا در محل.
- ایمنی و افزونگی: سطح ایمنی عملکردی، fail-safe و رابط‌های پایش خرابی.
واژه‌نامه (Glossary)
- گام/جفت‌قطب (pole pitch/pairs): طول فضاییِ یک دورهٔ N-S / تعداد جفت‌ها.
- SDE (Sub-Division Error): خطای تقسیم‌بندی زیر‌دوره؛ خطای دوره‌ایِ باقیمانده پس از درون‌یابی.
- Stray-Field Immunity: مصونیت در برابر میدان‌های مغناطیسیِ سرگردان.
- CTE: ضریب انبساط حرارتی؛ بر همخوانی حرارتیِ مغناطیس و قطعات مکانیکی اثر می‌گذارد.
جمع‌بندی: با درک اصول حسگریِ مغناطیسی، طراحی مغناطیس و مکانیک، رابط‌ها و راهبردهای جبران—و همترازی آن‌ها با اهداف دقت و شرایط کاری—می‌توان در محیط‌های سخت به بازخورد موقعیت قابل‌اعتماد، بادوام و قابلِ پایش/تشخیص دست یافت.