Enkoder magnetik
Enkoder magnetik (magnetic encoder) memanfaatkan magnet multipolar dan sensor magnetik sebagai inti untuk mengubah perpindahan rotasi atau linear menjadi sinyal listrik. Perangkat ini tahan terhadap minyak, debu, dan getaran, memiliki rentang suhu kerja yang lebar, serta toleransi pemasangan yang longgar. Karena itu, ia banyak digunakan sebagai piranti umpan-balik posisi pada otomasi industri, otomotif & alat berat, robotika, dan perangkat luar ruang.
Apa itu enkoder magnetik (What is a Magnetic Encoder)
Enkoder magnetik adalah sistem sensor yang mengukur posisi dan kecepatan dengan memanfaatkan perubahan periodik medan magnet. Struktur tipikalnya terdiri dari magnet (cincin/pita multipolar, atau magnet yang dimagnetisasi radial/aksial) dan kepala baca (readhead) berisi IC sensor magnetik serta rangkaian conditioner. Pada celah udara (air gap) yang ditentukan, kepala baca menangkap dua sinyal mirip sin/cos yang berubah terhadap perpindahan; setelah analog front-end (AFE) dan interpolasi/dekode, sistem mengeluarkan inkremental A/B/Z, sin/cos 1 Vpp (atau arus 11 µApp), atau posisi absolut melalui SSI/BiSS/SPI/EnDat, dll.
Dibanding enkoder optik, enkoder magnetik menawarkan ketahanan lingkungan lebih baik, usia pakai panjang, dan biaya lebih rendah; namun pada batas ekstrem resolusi, linearitas, dan kesalahan subdivisi (SDE), umumnya masih sedikit di bawah solusi optik kelas atas.
Prinsip kerja (Working Principle)
1) Teknologi sensor magnetik
- Hall: biaya rendah, matang dan andal; akurasi posisi/sudut menengah; perlu kompensasi drift termal.
- AMR (Anisotropic Magnetoresistance): sensitivitas lebih tinggi dari Hall, imun terhadap derau lebih baik.
- GMR/TMR (Giant/Tunneling Magnetoresistance): sensitivitas tertinggi dan derau rendah, mendukung resolusi sangat tinggi dan celah udara kecil; TMR memiliki drift termal lebih rendah namun biaya lebih tinggi.
- Deteksi diferensial: kanal sefase/berlawanan fase mengeliminasi medan magnet liar (parasite) dan drift mode-komun, meningkatkan kekebalan gangguan.
2) Pembentukan sinyal & perhitungan sudut
- Magnet yang dimagnetisasi N/S bergantian sepanjang keliling atau garis menghasilkan medan periodik; kepala baca memperoleh dua kanal mendekati sin/cos. Sudut dapat dihitung dengan:
theta = atan2(V_sin, V_cos) - Interpolasi digital atau PLL (phase-locked loop) untuk penyubdivisian sudut/perpindahan; tipe absolut menghasilkan kode unik lewat pengkodean satu/multiputar, pencacahan redundan, atau bingkai protokol.
3) Relasi kecepatan–frekuensi (rumus teks)
- Rotasi:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Linear:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
dengan RPM = putaran per menit, pole_pairs = jumlah pasangan kutub, edges_per_cycle = jumlah tepi efektif per periode listrik; v = kecepatan linear, p = pitch kutub pita magnet.
Klasifikasi (Classification)
- Menurut jenis gerak: rotary encoder (cincin/bermagnetisasi radial/aksial; on-axis/off-axis) / linear encoder (pita/skat magnet multipolar).
- Menurut keluaran: inkremental (A/B/Z; TTL/HTL/RS422; sin/cos 1 Vpp, 11 µApp) / absolut (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat; dapat melalui gateway ke CANopen/EtherCAT, dll.).
- Menurut magnet: cincin multipolar (pemasangan ID/OD, pitch tetap), magnet bermagnetisasi radial/aksial (pasangan kutub sedikit, kompak), pita magnet fleksibel (lintasan panjang, mudah pasang).
- Menurut IC sensor: sensor sudut satu-chip (integrasi AFE + CORDIC/SIN/COS) / discret (AFE + ADC + MCU/FPGA untuk interpolasi & enkoding).
Keluaran & antarmuka (Outputs & Interfaces)
| Kategori | Gaya sinyal | Skenario tipikal |
|---|---|---|
| Gelombang persegi inkremental | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Penghitung kecepatan tinggi PLC, loop kecepatan/posisi |
| Sinus/Kosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Interpolasi resolusi tinggi, aplikasi SDE rendah |
| Serial absolut | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Posisi absolut, cacah multiputar, diagnostik |
| Bus/Ethernet industri | CANopen, EtherCAT, PROFINET (via modul antarmuka) | Sinkronisasi multi-sumbu, jarak jauh, diagnostik daring |
Spesifikasi kunci (Key Specifications)
| Indikator | Rentang tipikal / Keterangan |
|---|---|
| Resolusi | Rotary: 12–18 bit (Hall/AMR), 18–20+ bit (GMR/TMR dengan interpolasi); Linear: pitch skala 5–50 µm, diinterpolasi hingga 1–5 µm; kualitas terbaik dapat mencapai sub-mikron |
| Akurasi sudut | Absolut rotary: ±0,05° ~ ±0,5° (bergantung magnet & eksentrisitas) |
| Repeatability/Jitter | Repeatability lebih baik dari ±0,05°; jitter bergantung SNR dan clock interpolasi |
| SDE (Sub-Division Error) | Umumnya lebih baik dari ±0,1° (kelas atas ≤ ±0,03°); tipe linear dinyatakan dalam µm |
| Celah udara magnetik | 0,5–2,5 mm (bergantung energi magnet & array sensor) |
| Pitch/pasangan kutub | Cincin umum 2–64 pasangan; pita umum pitch 2–5 mm |
| Kecepatan maksimum | Kecepatan mekanik > 10 000 RPM; linear > 3 m/s (tergantung antarmuka) |
| Rentang suhu | −40 °C ~ +125/150 °C (grade otomotif), perlu kompensasi termal |
| Ketahanan kontaminasi | IP50–IP67; tahan kabut oli, debu, dan cairan pendingin |
| EMC/ESD | Memenuhi persyaratan industri/otomotif; desain diferensial & perisai sangat penting |
Catatan: Kinerja aktual dipengaruhi bersama oleh material & kualitas magnetisasi magnet, eksentrisitas/kemiringan, celah udara, perisai, dan algoritme kompensasi.
Magnet & mekanik (Magnet & Mechanics)
- Pemilihan material magnet: NdFeB (produk energi tinggi; mudah demagnetisasi—perlu kontrol termal), SmCo (stabil pada suhu tinggi; biaya tinggi), ferrite (biaya rendah; volume besar).
- Cara magnetisasi: radial/aksial atau multipolar berbentuk cincin; keseragaman pitch kutub langsung mempengaruhi linearitas & harmonik.
- Galat geometri: runout (ketidakpusatan) memicu galat sudut harmonik orde 1/2; kemiringan/wobble menimbulkan ketidakseimbangan amplitudo/fase dan distorsi.
- Toleransi celah udara: terlalu besar → amplitudo melemah & SNR turun; terlalu kecil → risiko gesek & ketidakcocokan termal.
- Imunitas terhadap medan liar: struktur diferensial, konsentrasi fluks, atau cincin perisai; jauhi harmonik gigi stator motor; evaluasi stray-field immunity bila perlu.
Sumber galat & kompensasi (Error Sources & Compensation)
- Ketidakseimbangan amplitudo/fase & ke-ellips-an: kurangi SDE dengan AGC (automatic gain control), penyeimbangan fase, dan kompensasi elips.
- Drift termal: modelkan koefisien suhu sensor dan remanensi magnet versus suhu; koreksi daring via pengukuran suhu.
- Eksentrisitas/galat pitch kutub: linierisasi LUT di pabrik atau kalibrasi in-situ (pemasangan multi-titik/kompensasi harmonik).
- Medan liar/EMI: perutean diferensial, transmisi RS422, perisai, dan pembumian titik tunggal; tambahkan perisai besi lunak bila diperlukan.
- Pencacahan multiputar: retensi saat listrik padam melalui energy harvesting/roda gigi/FRAM/NVRAM dengan pemeriksaan konsistensi redundan.
Perbandingan dengan teknologi lain (Comparisons)
| Teknologi | Resolusi/akurasi | Ketahanan lingkungan | Biaya | Aplikasi tipikal |
|---|---|---|---|---|
| Enkoder magnetik | ★★★☆ (hingga 18–20+ bit) | ★★★★★ | ★★☆ | Industri/otomotif, lingkungan keras, usia pakai panjang |
| Enkoder optik | ★★★★★ (level nm/arcsec) | ★★☆ | ★★★★ | Mesin presisi, metrologi, platform semikonduktor |
| Enkoder induktif | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Suhu tinggi/EMI kuat, mesin berat |
| Resolver | ★★☆ (demodulasi analog) | ★★★★★ | ★★★ | Getaran tinggi/suhu tinggi, umpan-balik motor |
| Potensiometer | ★ | ★★ | ★ | Biaya rendah, usia pendek/akurasi rendah |
Aplikasi (Applications)
- Otomasi industri: konveyor & mekanisme beban berat, sistem hibrida servo/stepper, lift & mesin pelabuhan.
- Otomotif/transportasi: komutasi & posisi motor, kemudi & pedal, posisi sasis & kursi (lingkungan ISO 26262).
- Robotika & cobot: sudut sendi, enkoder roda AGV/AMR, platform bergerak luar ruang.
- Energi terbarukan & perangkat luar ruang: pelacakan surya/angin, katup & aktuator, peralatan tambang & konstruksi.
Poin instalasi & integrasi (Installation & Integration)
- Penyelarasan/koaksialitas: untuk rotari, gunakan bahu penentu/fixture; kendalikan runout radial & axial; untuk linear, jaga kelurusan pita dan stabilitas pembawa.
- Setelan celah udara: ikuti datasheet dengan margin di seluruh rentang suhu; verifikasi margin amplitudo pada SNR minimal dan kecepatan maksimum.
- Perkabelan & terminasi: utamakan RS422 diferensial atau antarmuka arus; lakukan pencocokan impedansi, perisai, dan pembumian titik tunggal untuk menghindari loop.
- Parameter protokol: panjang bingkai, CRC, timing, dan bit alarm pada SSI/BiSS/SPI/EnDat harus cocok dengan pengendali.
- Redundansi & keselamatan: pada sumbu kritis, gunakan kanal ganda/sensor ganda dengan pemantauan konsistensi (SIL/PL atau ASIL).
Standar & kepatuhan (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (peringkat IP) / IEC 60068-2 (vibrasi/kejut/suhu tinggi-rendah/kelembapan)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (imunitas/emisi EMC industri), ISO 7637 (transien otomotif)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (keselamatan fungsional untuk mesin/drive/otomotif)
- AEC-Q100/Q200 (keandalan grade otomotif untuk IC sensor/komponen pasif)
Item kepatuhan aktual harus disesuaikan menurut industri dan kebutuhan proyek.
Panduan pemilihan (Selection Guide)
- Target akurasi: akurasi/linearitas sudut, resolusi, SDE, dan jitter.
- Teknologi sensor: Hall (prioritas biaya) / AMR / GMR / TMR (prioritas resolusi & stabilitas termal).
- Opsi magnet: cincin/pita/magnet tunggal; pitch & ukuran, material & kelas suhu.
- Antarmuka keluaran: inkremental/sin-cos atau SSI/BiSS/SPI/EnDat; perlu gateway bus & diagnostik daring atau tidak.
- Lingkungan & umur pakai: peringkat IP, minyak/debu/coolant, imunitas medan liar; untuk otomotif/luar ruang, tuntutan durabilitas grade otomotif.
- Mekanik & celah udara: toleransi ketidakselarasan, jendela celah udara, batas kecepatan; fixture pemasangan & konsistensi produksi.
- Kompensasi & kalibrasi: dukungan kompensasi termal/harmonik/linierisasi LUT; strategi pabrik atau in-situ.
- Keselamatan & redundansi: level keselamatan fungsional, fail-safe, dan antarmuka pemantauan kegagalan.
Glosarium (Glossary)
- Pitch/pasangan kutub (pole pitch/pairs): panjang spasial satu siklus N–S / jumlah pasangan kutub.
- SDE (Sub-Division Error): kesalahan subdivisi; galat periodik residual setelah interpolasi.
- Stray-field immunity: kekebalan terhadap medan magnet eksternal/parasit.
- CTE: koefisien muai termal; memengaruhi kecocokan termal antara magnet dan komponen mekanik.
Ringkasan: Dengan memahami prinsip deteksi magnetik, desain magnet & mekanik, antarmuka, serta strategi kompensasi—dan menyelaraskannya dengan target akurasi serta kondisi kerja—Anda dapat mewujudkan umpan-balik posisi yang andal, berumur panjang, dan mudah didiagnosis bahkan di lingkungan keras.