📘 Kódoló Wiki
Mágneses enkóderek
A mágneses enkóder (mágneses jeladó) többpólusú mágnes(ek)et és mágneses érzékelőt használ a forgó vagy lineáris elmozdulás elektromos jellé alakítására. Előnyei: olaj- és porállóság, rezgéstűrés, széles hőmérséklet-tartomány, valamint nagy szerelési tűrések. Emiatt gyakran alkalmazzák ipari automatizálásban, járművekben és nehézgépekben, robotikában és kültéri berendezésekben mint pozíció-visszacsatoló eszközt.
Mi az a mágneses enkóder (What is a Magnetic Encoder)
A mágneses enkóder olyan érzékelőrendszer, amely a mágneses tér periodikus változását használja pozíció és sebesség mérésére. Tipikus felépítése: mágnes (többpólusú mágnesgyűrű/nauha, radiális vagy axiális mágnesezésű állandómágnes) és olvasófej (mágneses érzékelőlapka és jelkondicionáló elektronika). A névleges légrésben az olvasófej a helyzettel együtt változó szinusz/koszinusz komponenseket érzékeli, melyeket az AFE és az interpoláció/dekódolás után az alábbi formákban ad ki: inkrementális A/B/Z, szinusz/koszinusz 1 Vpp (vagy 11 µApp áramkimenet), illetve abszolút pozíció (SSI/BiSS/SPI/EnDat stb.).
Az optikai enkóderekkel összevetve a mágneses megoldások jobban bírják a környezetet, hosszabb élettartamúak, és költséghatékonyabbak; ugyanakkor extrém felbontásban, linearitásban és az alosztási hibában (SDE) általában elmaradnak a csúcskategóriás optikai rendszerektől.
Működési elv (Working Principle)
1) Mágneses érzékelési technológiák
- Hall: alacsony költség, kiforrott; közepes helyzet-/szögtartás; hőfokfüggést kompenzálni kell.
- AMR (anizotróp magnetorezisztencia): a Hallnál nagyobb érzékenység, jobb zajelutasítás.
- GMR/TMR (óriás-/alagút-magnetorezisztencia): legmagasabb érzékenység és alacsony zaj; kisebb légrést és nagyobb felbontást tesz lehetővé; a TMR hődriftje alacsonyabb, de drágább.
- Differenciális mérés: az azonos/ellenfázisú csatornák kioltják a külső szórt tereket és a közös módusú hődriftet, javítva a zavartűrést.
2) Jelalakítás és szögszámítás
- A mágnes körpályán vagy egyenesen váltakozó N/S pólusokkal periodikus teret hoz létre; az olvasófej közel szinusz/koszinusz jelpárt kap. A szög számítható:
theta = atan2(V_sin, V_cos). - Digitális interpoláció vagy PLL (fázis-zárt hurok) finomítja a szöget/eltolást; az abszolút rendszer egyedi kódot ad többkörös/egyenkörös kódolással, redundáns számlálással vagy protokoll kerettel.
3) Sebesség–frekvencia összefüggés (szöveges képletek)
- Forgó:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Lineáris:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
(ahol az RPM a fordulatszám, a pole_pairs a póluspárok száma, az edges_per_cycle az érvényes élek száma elektromos periódusonként; v a vonalsebesség, p a mágnesszalag pólusosztása)
Osztályozás (Classification)
- Mozgás szerint: forgó enkóder (gyűrű/radiális mágnes, on-axis/off-axis) / lineáris enkóder (többpólusú mágnesszalag/rács).
- Kimenet szerint: inkrementális (A/B/Z, TTL/HTL/RS422; szinusz/koszinusz 1 Vpp, 11 µApp) / abszolút (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat, átjárón CANopen/EtherCAT stb.).
- Mágnes szerint: többpólusú gyűrű (belső/külső átmérős szerelés, fix pólusosztás), radiálisan/axiálisan mágnesezett tömb (kevés póluspár, kisméretű), rugalmas mágnesszalag (hosszú löket, könnyű szerelés).
- Érzékelőlapka szerint: egychipes szögérzékelő (integrált AFE + CORDIC/SIN/COS) / diszkrét AFE + ADC + MCU/FPGA interpolációs kódolóval.
Kimenetek és interfészek (Outputs & Interfaces)
| Kategória | Jelforma | Tipikus felhasználás |
|---|---|---|
| Inkrementális négyszög | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | PLC nagysebességű számlálás, sebesség-/pozícióhurok |
| Szinusz/koszinusz | 1 Vpp, 11 µApp | Nagy felbontású interpoláció, alacsony SDE |
| Abszolút soros | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Abszolút pozíció, többkörös számlálás, diagnosztika |
| Busz/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET (interfészmodulon át) | Többtengelyes szinkron, nagy távolság, online diagnosztika |
Főbb specifikációk (Key Specifications)
| Mutató | Tipikus tartomány / Megjegyzés |
|---|---|
| Felbontás | Forgó: 12–18 bit (Hall/AMR), 18–20+ bit (GMR/TMR + interpoláció); Lineáris: alaposztás 5–50 µm, interpolálva 1–5 µm, csúcsminőség akár szubmikron |
| Szögpontosság | Abszolút forgó: ±0,05° … ±0,5° (a mágnestől és az excentricitástól függ) |
| Ismételhetőség/jitter | Ismételhetőség jobb mint ±0,05°; jitter az SNR-től és az interpolációs órajelektől függ |
| Alosztási hiba (SDE) | Általában ≤ ±0,1° (felsőkategória ≤ ±0,03°); lineáris típusoknál µm-ben |
| Légrés | 0,5–2,5 mm (a mágnes energiájától és az érzékelőtől függően) |
| Pólusosztás/póluspárok | Gyűrűknél tipikusan 2–64 póluspár; szalagnál 2–5 mm osztás |
| Max. sebesség | Mechanikus fordulat > 10 000 RPM; lineáris > 3 m/s (interfésztől függ) |
| Hőmérséklet-tartomány | −40 °C … +125/150 °C (autóipari); hőkompenzáció szükséges |
| Szennyezés-/védelem | IP50–IP67; olajköd-, por- és hűtőfolyadék-álló |
| EMC/ESD | Ipari/autóipari EMC-követelmények teljesítése; differenciális és árnyékolt kialakítás kulcsfontosságú |
Megjegyzés: A tényleges teljesítmény függ a mágnes anyagától és mágnesezésének minőségétől, az excentricitástól/dőléstől, a légréstől, az árnyékolástól és az algoritmikus kompenzációktól.
Mágnes és mechanika (Magnet & Mechanics)
- Mágnesanyagok: NdFeB (nagy energiasűrűség, demagnetizációra hajlamos – hőmenedzsment kell), SmCo (stabil magas hőmérsékleten, drága), ferrit (olcsó, nagyobb méret).
- Mágnesezés: radiális/axiális vagy többpólusú gyűrű; a pólusosztás egyenletessége közvetlenül befolyásolja a linearitást és a harmonikus hibákat.
- Geometriai hibák: excentricitás/kifutás (runout) 1./2. rendű szöghibákat okoz; dőlés/ütés amplitúdó- és fázisegyensúlytalanságot, torzítást eredményez.
- Légrés tűrés: túl nagy → amplitúdócsökkenés és SNR romlás; túl kicsi → érintkezés/karcolás és hőillesztési probléma.
- Szórt terek elleni védelem: differenciális felépítés, fluxuskoncentrátor vagy árnyékoló gyűrű; tarts távolságot a motor állórészfog-harmonikáitól; szükség esetén értékeld a stray-field immunity-t.
Hibaforrások és kompenzáció (Error Sources & Compensation)
- Amplitúdó-/fázisegyensúlytalanság, ellipszishiba: AGC, fáziskiegyenlítés és ellipsziskompenzáció az SDE csökkentésére.
- Hődrift: modellezd az érzékelő hőfokegyütthatóját és a mágnes remanenciájának hőfüggését; korrigálj online hőméréssel.
- Excentricitás/pólusosztás-hiba: LUT-linearizálás gyárilag vagy helyszíni kalibráció (többpontos/harmonikus kompenzáció).
- Szórt mágneses terek/EMI: differenciális vezetés, RS422-átvitel, árnyékolás és egypontos földelés; szükség esetén lágyvas árnyékolás.
- Többkörös számlálás: áramszünet alatti megtartás energia-begyűjtéssel, fogaskerék-mechanikával, FRAM/NVRAM-mal és redundancia-konzisztencia ellenőrzéssel.
Összehasonlítás más technológiákkal (Comparisons)
| Technológia | Felbontás/pontosság | Környezeti tűrés | Költség | Tipikus alkalmazás |
|---|---|---|---|---|
| Mágneses enkóder | ★★★☆ (akár 18–20+ bit) | ★★★★★ | ★★☆ | Ipar/autó, zord környezet, hosszú élettartam |
| Optikai enkóder | ★★★★★ (nm/ívmásodperc szint) | ★★☆ | ★★★★ | Precíziós gépek, metrológia, félvezetőplatformok |
| Induktív enkóder | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Magas hő/erős EMI, nehézgépek |
| Resolver | ★★☆ (analóg demoduláció) | ★★★★★ | ★★★ | Erős rezgés/hő – motorvisszacsatolás |
| Potenciométer | ★ | ★★ | ★ | Alacsony költség, rövid élettartam/gyenge pontosság |
Alkalmazások (Applications)
- Ipari automatizálás: szállítópályák és nehéz mechanizmusok, szervó/hibridek, felvonók és kikötői gépek.
- Autóipar/közlekedés: motor kommutáció és pozíció, kormány és pedál, futómű- és üléshelyzet (ISO 26262).
- Robotika és kobotok: csuklószög, AGV/AMR kerékenkóder, kültéri mobil platformok.
- Megújuló energia és kültéri eszközök: nap-/szélkövetés, szelepek és hajtóművek, bányászati és építőipari gépek.
Szerelési és integrációs szempontok (Installation & Integration)
- Központosítás/koaxialitás: forgó rendszereknél használj vállat/jiget; tartsd kézben a radiális és homlokfutást; lineárisnál biztosítsd a szalag egyenességét és a hordozó merevségét.
- Légrés beállítás: a datasheet szerint, hőtartományra tartalékkal; igazold a minimális SNR-t és az amplitúdótartalékot maximális sebességnél is.
- Kábelezés és lezárás: részesítsd előnyben a RS422 differenciális vagy áramkimenetet; illeszd az impedanciát, árnyékolj és alkalmazz egypontos földelést, kerüld a hurkokat.
- Protokollparaméterek: az SSI/BiSS/SPI/EnDat kerethossz, CRC, időzítések és riasztásbitek legyenek összhangban a vezérlővel.
- Redundancia és biztonság: kritikus tengelyeken kettős csatorna/kettős érzékelő és konzisztencia-felügyelet (SIL/PL vagy ASIL).
Szabványok és megfelelőség (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (IP-védelem) / IEC 60068-2 (rezgés/ütés/hő–hideg/pára)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (ipari EMC immunitás/kisugárzás), ISO 7637 (járműipari tranziens zavarok)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (gépek/hajtások/autóipari funkcionális biztonság)
- AEC-Q100/Q200 (autóipari eszközszintű megbízhatóság – érzékelő IC-k/ passzívak)
A tényleges megfelelőségi csomag iparág- és projektspecifikusan szabható.
Választási útmutató (Selection Guide)
- Célpontosság: szögpontosság/linearitás, felbontás, SDE és jitter célértékek.
- Érzékelőtechnológia: Hall (költség), AMR, GMR, TMR (felbontás és hődrift elsődleges).
- Mágneskoncepció: többpólusú gyűrű/szalag/egyedi tömb; pólusosztás és méretek, anyag és hőosztály.
- Kimeneti interfész: inkrementális/szinusz vagy SSI/BiSS/SPI/EnDat; szükséges-e buszátjáró és online diagnosztika.
- Környezet és élettartam: IP-fokozat, hőmérséklet/olajköd/por, szórt terek elleni immunitás; autó/kültér esetén autóipari minősítés/strapabíróság.
- Mechanika és légrés: megengedett központosítási hiba, légrésablak, fordulatszám-határ; szerelő jigek és szériakonzisztencia.
- Kompenzáció és kalibráció: támogatott-e LUT (hő/harmonikus/linearizáció); gyári vagy helyszíni kalibrációs stratégia.
- Biztonság és redundancia: funkcionális biztonsági szint, fail-safe és hibafelügyeleti interfészek.
Szójegyzék (Glossary)
- Pólusosztás/póluspárok (pole pitch/pairs): egy N–S ciklus térbeli hossza / párok száma.
- SDE (Sub-Division Error): alosztási hiba; interpoláció utáni maradó periodikus hiba.
- Stray-field Immunity: külső szórt mágneses terek elleni érzéketlenség.
- CTE: hőtágulási együttható; hat a mágnes és a gépelemek hőtűréses illeszkedésére.
Összegzés: A mágneses érzékelési elv, a mágnes- és gépészeti tervezés, az interfészek és a kompenzációs eljárások megfelelő ismeretével – a célpontossághoz és az üzemi körülményekhez igazítva – magas megbízhatóságú, hosszú élettartamú és diagnosztizálható mozgásszabályozás és pozíció-visszacsatolás valósítható meg még zord környezetben is.