📘 Kooderin Wiki
Magneettiset enkooderit
Magneettiset enkooderit hyödyntävät moninapaisia magneetteja ja magneettisia antureita muuntaakseen pyörivän tai lineaarisen liikkeen sähköiseksi signaaliksi. Niiden etuja ovat öljy- ja pölykestävyys, tärinänsietokyky, laaja käyttölämpötila-alue sekä suuret asennustoleranssit. Siksi ne ovat yleisiä teollisuusautomaation, ajoneuvojen ja raskaiden laitteiden, robotiikan sekä ulkolaitteiden paikkapalautteissa.
Mikä on magneettinen enkooderi (What is a Magnetic Encoder)
Magneettinen enkooderi on anturijärjestelmä, joka mittaa asentoa ja nopeutta hyödyntämällä magneettikentän periodista vaihtelua. Tyypillinen rakenne koostuu magneetista (moninapainen magneettirengas/fittamagnetiikka/radiaali- tai aksiaalimagneetoitu pala) ja lukupäästä (magneettianturipiiri + signaalin ehdollistus). Määritellyssä ilmarakossa lukupää havaitsee liikkeen mukana muuttuvat sinus-/kosinikomponentit ja tuottaa analogisen etupään (AFE) ja interpoloinnin/decoodauksen jälkeen ulostulot: inkrementaalinen A/B/Z, sin/cos 1 Vpp (tai 11 µApp virta) tai absoluuttinen asento (SSI/BiSS/SPI/EnDat jne.).
Optisiin enkoodereihin verrattuna magneettiset ratkaisut ovat ympäristökestävämpiä, pidempi-ikäisiä ja edullisempia; äärimmäisessä resoluutiossa, lineaarisuudessa ja alajakovirheessä (SDE) ne jäävät yleensä huipputason optiikalle.
Toimintaperiaate (Working Principle)
1) Magneettinen aistintekniikka
- Hall: edullinen ja kypsä teknologia; keskitasoinen asento-/kulmatarkkuus; vaatii lämpötilakompensointia.
- AMR (anisotrooppinen magnetoresistanssi): suurempi herkkyys kuin Hallilla, parempi melunsietokyky.
- GMR/TMR (jätti-/tunnelimagnetoresistanssi): korkein herkkyys ja matala kohina; mahdollistaa pienemmän ilmarakon ja korkeamman resoluution; TMR:llä pienempi lämpödrifti mutta korkeampi hinta.
- Differentiaalimittaus: saman- ja vastavaiheiset kanavat kumoavat ulkoiset vieraskentät ja yhteismuotoisen lämpödriftin, parantaen häiriönsietoa.
2) Signaalin muodostus ja kulman laskenta
- Magneetti, jonka napaisuus N/S vuorottelee kehällä tai lineaarisesti, tuottaa periodisen kentän; lukupää saa kaksi lähes sin/cos-signaalia. Kulma voidaan laskea:
theta = atan2(V_sin, V_cos). - Digitaalinen interpolointi tai PLL (vaihelukittu silmukka) hienontaa kulmaa/siirtymää; absoluuttinen enkooderi tuottaa yksikäsitteisen koodin monikierros-/yksikierroskoodauksen, redundantin laskennan tai protokollarungon kautta.
3) Nopeuden ja taajuuden suhde (tekstilausekkeet)
- Pyörivä:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Lineaarinen:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
(missä RPM = kierrosluku, pole_pairs = napaparien määrä, edges_per_cycle = kelvolliset reunat per sähköinen jakso; v = lineaarinopeus, p = magneettinauhan napajako)
Luokittelu (Classification)
- Liiketavan mukaan: pyörivä enkooderi (rengas/radiaalimagneetti, on-axis/off-axis) / lineaarienkooderi (moninapainen magneettinauha/-hila).
- Ulostulon mukaan: inkrementaalinen (A/B/Z, TTL/HTL/RS422; sin/cos 1 Vpp, 11 µApp) / absoluuttinen (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat; väylägateway CANopen/EtherCAT jne.).
- Magneetin mukaan: moninapaiset renkaat (ID/OD-asennus, kiinteä napajako), radiaali-/aksiaalimagneetoidut palat (vähän napapareja, kompakti), joustava magneettinauha (pitkät iskut, helppo asennus).
- Anturipiirin mukaan: yksisiruiset kulma-anturit (integroitu AFE + CORDIC/SIN/COS) / diskreetti AFE + ADC + MCU/FPGA interpolointikooderilla.
Ulostulot ja liitännät (Outputs & Interfaces)
| Luokka | Signaalimuoto | Tyypillinen käyttö |
|---|---|---|
| Inkrementaalinen kanttiaalto | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | PLC:n nopeat laskurit, nopeus-/paikkasilmukat |
| Sini/kosini | 1 Vpp, 11 µApp | Korkean resoluution interpolointi, matala SDE |
| Absoluuttinen sarja | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Absoluuttiasento, monikierroslaskenta, diagnostiikka |
| Väylä/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET (liitäntämoduulin kautta) | Moniakselisynkronointi, pitkät etäisyydet ja online-diagnostiikka |
Keskeiset spesifikaatiot (Key Specifications)
| Parametri | Tyypillinen alue / Huomio |
|---|---|
| Resoluutio | Pyörivä: 12–18 bittiä (Hall/AMR), 18–20+ bittiä (GMR/TMR + interpolointi); Lineaarinen: perusjaotus 5–50 µm, interpoloitavissa 1–5 µm; huipputaso jopa alle mikrometrin |
| Kulmatarkkuus | Absoluuttinen pyörivä: ±0,05° … ±0,5° (riippuu magneetista ja eksentrisyydestä) |
| Toistettavuus/jitteri | Toistettavuus parempi kuin ±0,05°; jitter riippuu SNR:stä ja interpolointikellosta |
| SDE (alajakovirhe) | Yleensä ≤ ±0,1° (huippu ≤ ±0,03°); lineaarisissa ilmoitetaan µm |
| Ilmarako | 0,5–2,5 mm (magneetin energia ja anturirakenne vaikuttavat) |
| Napajako/napaparit | Renkaille tyypillisesti 2–64 napaparia; nauhassa napajako 2–5 mm |
| Suurin nopeus | Mekaaninen pyörintä > 10 000 RPM; lineaarinen > 3 m/s (liittyy rajapintaan) |
| Lämpötila-alue | −40 °C … +125/150 °C (autoluokka); edellyttää lämpökompensointia |
| Suojaus/likasieto | IP50–IP67; kestää öljysumua, pölyä ja leikkuunesteitä |
| EMC/ESD | Täyttää teollisuus-/autoteollisuuden EMC-vaatimukset; differentiaalinen suunnittelu ja suojaukset ovat kriittisiä |
Huom. Todellinen suorituskyky riippuu magneettimateriaalista ja magneetoinnin laadusta, eksentrisyydestä/kaltevuudesta, ilmarakosta, suojauksesta ja algoritmisista kompensoinneista.
Magneetti ja mekaniikka (Magnet & Mechanics)
- Materiaalivalinta: NdFeB (korkea energia, alttiimpi demagnetoitumiselle—lämpö hallittava), SmCo (vakaa korkeissa lämpötiloissa, kallis), ferriitti (edullinen, kookas).
- Magneetointi: radiaali-/aksiaalisuuntainen tai moninapainen rengasmagneetointi; napajaon tasaisuus vaikuttaa suoraan lineaarisuuteen ja virheharmonisiin.
- Geometriset virheet: heitto (runout) aiheuttaa 1./2. kertaluvun kulmavirheitä; kaltevuus/päätyheitto synnyttävät amplitudi-/vaihe-epätasapainoa ja säröä.
- Ilmarakon toleranssi: liian suuri → amplitudin vaimeneminen ja SNR heikkenee; liian pieni → mekaaninen kosketus/kitka ja lämpöepäsopivuusriski.
- Vieraskenttien torjunta: differentiaalitopologiat, vuon keskittäjät tai suojarenkaat; etäisyyttä moottorin staattorihammas-harmonisiin; arvioi tarvittaessa stray-field immunity.
Virhelähteet ja kompensointi (Error Sources & Compensation)
- Amplitudi-/vaihe-epätasapaino ja ellipsisyys: käytä AGC:tä, vaiheenkorjausta ja ellipsikompensaatiota SDE:n pienentämiseksi.
- Lämpödrifti: mallinna anturin lämpökerroin ja magneetin remanenssin lämpöriippuvuus; korjaa on-line lämpömittauksella.
- Eksentrisyys/napajaon virhe: LUT-linearisaatio tehtaalla tai paikallaan tehtävä kalibrointi (monipiste-/harmonikakompensointi).
- Vieraskentät/EMI: differentiaaliveto, RS422-lähetys, suojaukset ja yksipiste-maadoitus; tarvittaessa pehmeästä raudasta tehty magneettisuoja.
- Monikierroslaskenta: sähkönkatkon aikainen säilytys esim. energian keruulla, hammasratasvälityksellä, FRAM/NVRAM-muistilla ja redundanssin eheyden tarkistuksella.
Vertailu muihin tekniikoihin (Comparisons)
| Tekniikka | Resoluutio/tarkkuus | Ympäristön sieto | Kustannus | Tyypilliset käyttökohteet |
|---|---|---|---|---|
| Magneettinen enkooderi | ★★★☆ (jopa 18–20+ bittiä) | ★★★★★ | ★★☆ | Teollisuus/auto, ankarat olosuhteet, pitkä ikä |
| Optinen enkooderi | ★★★★★ (nm/kaarisekunti-tasoa) | ★★☆ | ★★★★ | Tarkkuuskoneistus, metrologia, puolijohdealustat |
| Induktiivinen enkooderi | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Korkea lämpö/voimakas EMI, raskaat koneet |
| Resolveri | ★★☆ (analoginen demodulointi) | ★★★★★ | ★★★ | Moottoripalautteet kovassa tärinässä/lämmössä |
| Potentiometri | ★ | ★★ | ★ | Edullinen, lyhytikäinen/matala tarkkuus |
Sovellukset (Applications)
- Teollisuusautomaatio: kuljettimet ja raskaat mekanismit, servo/askelhybridit, hissit ja satamalaitteet.
- Ajoneuvot/liikenne: moottorien kommutointi ja asento, ohjaus ja polkimet, alusta- ja istuinpaikannus (ISO 26262).
- Robotiikka ja cobotit: nivelkulmat, AGV/AMR-pyöräenkooderit, ulkona liikkuvat alustat.
- Uusiutuva energia ja ulkolaitteet: aurinko-/tuulenseuranta, venttiilit ja toimilaitteet, kaivos- ja rakennuskoneet.
Asennus ja integrointi (Installation & Integration)
- Keskitys/koaksiaalisuus: pyörivissä käytä paikannusolkaa/jiggejä; hallitse radiaalinen ja aksiaalinen heitto. Lineaarisissa varmista nauhan suoruus ja kantajan jäykkyys.
- Ilmarako: noudata datasheetiä ja jätä marginaali koko lämpötila-alueelle; todenna minimi-SNR ja amplitudivara maksiminopeudella.
- Kaapelointi ja päättäminen: suosi RS422-differentiaalia tai virtalähtöä; sovita impedanssi, käytä suojauksia ja yksipiste-maadoitusta välttääksesi silmukat.
- Protokollaparametrit: yhdenmukaista ohjaimen kanssa kehys pituus, CRC, ajoitus ja hälytysbittit (SSI/BiSS/SPI/EnDat).
- Redundanssi ja turvallisuus: kriittisillä akseleilla kaksoiskanava/kaksoisanturi ja yhdenmukaisuuden valvonta (SIL/PL tai ASIL).
Standardit ja vaatimustenmukaisuus (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (IP-suojaus) / IEC 60068-2 (värinä/isku/kuuma-kylmä/kosteus)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (teollisuuden EMC-immuniteetti/säteily), ISO 7637 (ajoneuvojen transientit)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (koneiden/taajuusmuuttajien/autoalan toiminnallinen turvallisuus)
- AEC-Q100/Q200 (autoluokan luotettavuus anturipiireille/passiveille)
Todellinen vaatimuskokonaisuus räätälöidään toimialan ja projektin mukaan.
Valintaopas (Selection Guide)
- Tavoitetarkkuus: kulmatarkkuus/lineaarisuus, resoluutio, SDE ja jitter.
- Anturitekniikka: Hall (kustannus), AMR, GMR, TMR (resoluutio/lämpödrifti etusijalla).
- Magneettiratkaisu: moninapainen rengas/nauha/yksittäinen pala; napajako ja mitat, materiaali ja lämpöluokka.
- Ulostuloliittymä: inkrementaalinen/sin tai SSI/BiSS/SPI/EnDat; tarve väylägatewaylle ja online-diagnostiikalle.
- Ympäristö ja elinkaari: IP-luokka, lämpö/öljysumu/pöly, vieraskenttien sieto; auto-/ulkokohteissa autoluokka ja kestävyys.
- Mekaniikka ja ilmarako: sallittu kohdistusvirhe, ilmarakoikkuna, maksimikierrosluku; asennusjigit ja sarjatuotannon toistettavuus.
- Kompensointi ja kalibrointi: tuki LUT-korjaukselle (lämpö/harmoniat/linearisaatio); tehdas- tai järjestelmäpaikallinen kalibrointi.
- Turvallisuus ja redundanssi: toiminnallisen turvallisuuden taso, vikaturvallinen (fail-safe) ja vikatilan valvontaliitännät.
Sanasto (Glossary)
- Napajako/napaparit (pole pitch/pairs): yhden N–S-jakson pituus tilassa / parien lukumäärä.
- SDE (Sub-Division Error): alajakovirhe; interpoloinnin jälkeen jäljelle jäävä periodinen virhe.
- Stray-field Immunity: ulkoisten/häiriömagneettikenttien sietokyky.
- CTE: lämpölaajenemiskerroin; vaikuttaa magneetin ja mekaanisten osien lämpösovitukseen.
Yhteenveto: Kun hallitset magneettisen aistinperustan, magneetin ja mekaniikan suunnittelun, liitännät ja kompensointistrategiat, ja sovitat ne tavoitetarkkuuteen sekä käyttöolosuhteisiin, saavutat liikkeenohjauksen ja paikkapalautteen joka on erittäin luotettava, pitkäikäinen ja diagnosoitava – myös vaativissa ympäristöissä.