📘 Encoder Wiki
Magnetische encoders
Magnetische encoders gebruiken meerpolige magneten en magnestsensoren om rotatie- of lineaire verplaatsing om te zetten in elektrische signalen. Ze zijn bestand tegen olie, stof en trillingen, hebben een breed temperatuurbereik en tolereren grotere montagespeling. Daarom zijn ze veelgebruikte positieterugkoppelaars in industriële automatisering, automotive en zwaar materieel, robotica en outdoor-apparatuur.
Wat is een magnetische encoder (What is a Magnetic Encoder)
Een magnetische encoder is een sensorsysteem dat de periodieke variatie van een magnetisch veld benut om positie en snelheid te meten. Het bestaat typisch uit een magneet (meerpolige magneetring/magnetische band/radiaal of axiaal gemagnetiseerde magneet) en een leeskop (magnetsensor-IC met signaalconditionering). Binnen een voorgeschreven luchtspeling detecteert de leeskop sinus-/cosinusvormige signalen die met de verplaatsing variëren. Na AFE en interpolatie/decodering worden incrementele A/B/Z, sinus/cosinus 1 Vpp (of stroomgestuurd) of absolute positie (SSI/BiSS/SPI/EnDat, enz.) uitgevoerd.
Vergeleken met optische encoders bieden magnetische encoders betere omgevingsbestendigheid, langere levensduur en lagere kosten; op het vlak van maximale resolutie, lineariteit en onderverdelingsfout (SDE) halen high-end optische systemen doorgaans nog hogere prestaties.
Werkingsprincipe (Working Principle)
1) Magnetische sensortechnologie
- Hall: lage kosten, volwassen en betrouwbaar; middelhoge positie-/hoeknauwkeurigheid; temperatuurdrift vereist compensatie.
- AMR (anisotrope magnetoweerstand): hogere gevoeligheid dan Hall en betere ruisonderdrukking.
- GMR/TMR (gigantische/tunnel-magnetoweerstand): hoogste gevoeligheid en lage ruis; ondersteunt hogere resolutie en kleinere luchtspelingen; TMR heeft lagere temperatuurdrift maar hogere kost.
- Differentieel meten: in-fase/tegenfase kanalen onderdrukken externe strooivelden en common-mode temperatuurdrift en verbeteren de immuniteit.
2) Signaalvorming en hoekberekening
- De magneet is langs de omtrek of lijn afwisselend N/S gemagnetiseerd en vormt zo een periodiek veld; de leeskop krijgt benaderende sin/cos-signalen. De hoek kan worden berekend met:
theta = atan2(V_sin, V_cos). - Digitale interpolatie of een PLL verfijnt hoek of verplaatsing; absolute systemen geven via single-turn/multi-turn-codering, redundante telling of protocolframes een unieke code uit.
3) Snelheids- en frequentierelatie (platte-tekstformules)
- Rotatie:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Lineair:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
(waarbij RPM het toerental is, pole_pairs het aantal poolparen, edges_per_cycle de effectieve flanken per elektrische cyclus; v de lineaire snelheid en p de poolstap van de magnetische band.)
Classificatie (Classification)
- Naar bewegingsvorm: roterende encoders (ring/radiaal gemagnetiseerde magneet, on-axis/off-axis) / lineaire encoders (meerpolige magnetband/magnetrooster).
- Naar uitgang: incrementeel (A/B/Z, TTL/HTL/RS422; sinus/cosinus 1 Vpp, 11 µApp) / absoluut (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat, via gateway ook CANopen/EtherCAT enz.).
- Naar magneet: meerpolige ringen (montage op binnen-/buitendiameter, vaste poolstap), radiaal/axiaal gemagnetiseerde magneten (weinig poolparen, compact), flexibele magnetband (lange slag, eenvoudige montage).
- Naar sensor-IC: single-chip hoeksensor (geïntegreerde AFE + CORDIC/SIN/COS) / discrete AFE + ADC + MCU/FPGA voor interpolatie/codering.
Uitgangen & interfaces (Outputs & Interfaces)
| Categorie | Signaalvorm | Typische toepassing |
|---|---|---|
| Incrementele blokgolf | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | PLC-hogesnelheidsteller, snelheids-/positielus |
| Sinus/cosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Hoge-resolutie interpolatie, lage SDE |
| Absoluut serieel | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Absolute positie, multiturn-teller, diagnose |
| Feldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET (via interface-module) | Meervoudige assen synchroniseren, lange afstanden & online diagnose |
Belangrijkste specificaties (Key Specifications)
| Kenmerk | Typisch bereik / toelichting |
|---|---|
| Resolutie | Roterend: 12–18 bit (Hall/AMR), 18–20+ bit (GMR/TMR met interpolatie); lineair: basistrap 5–50 µm, geïnterpoleerd tot 1–5 µm, topklasse sub-µm |
| Hoeknauwkeurigheid | Absoluut roterend: ±0,05° tot ±0,5° (afhankelijk van magneet en excentriciteit) |
| Herhaalbaarheid/jitter | Herhaalbaarheid beter dan ±0,05°; jitter afhankelijk van SNR en interpolatieklok |
| SDE (onderverdelingsfout) | typisch ≤ ±0,1° (high-end ≤ ±0,03°); lineair in µm |
| Magnetische luchtspeling | 0,5–2,5 mm (afhankelijk van magneetenergie en sensorarray) |
| Poolstap/poolparen | Ringen vaak 2–64 poolparen; banden meestal 2–5 mm poolstap |
| Max. snelheid | mechanisch > 10 000 rpm; lineair > 3 m/s (interface-afhankelijk) |
| Temperatuurbereik | −40 °C tot +125/150 °C (automotive); temperatuurcompensatie nodig |
| Bescherming/vervuilingsbestendigheid | IP50–IP67; bestand tegen olienevel, stof, koelvloeistoffen |
| EMC/ESD | Voldoet aan industriële/automotive EMC-eisen; differentiële bedrading en afscherming zijn cruciaal |
Let op: De werkelijke prestaties worden beïnvloed door magneetmateriaal en magnetiseerkwaliteit, excentriciteit/tilt, luchtspeling, afscherming en algoritmische compensatie.
Magneet & mechanica (Magnet & Mechanics)
- Materiaalkeuze: NdFeB (hoog energiemoment; gevoelig voor demagnetisatie → thermisch beheer), SmCo (stabiel bij hoge temperatuur; duur), ferriet (laag kostenniveau; groter volume).
- Magnetiseren: radiaal/axiaal of meerpolig ringmagnetiseren; uniformiteit van poolstap bepaalt direct lineariteit en harmonische fouten.
- Geometrische fouten: excentriciteit (runout) veroorzaakt hoekfouten van 1e/2e orde; tilt/slag leidt tot amplitude-/fase-onbalans en vervorming.
- Luchtspelingstolerantie: te groot → amplitudeverlies en slechtere SNR; te klein → aanlooprisico en thermische mismatch.
- Immuniteit voor strooivelden: differentiële opbouw, fluxconcentratoren of afschermringen; houd afstand tot tandharmonischen van motorstatoren; beoordeel zo nodig stray-field immunity.
Fouten & compensatie (Error Sources & Compensation)
- Amplitude-/fase-onbalans / ellipsfout: verlaag SDE met AGC, fase-equalisatie en ellipscompensatie.
- Temperatuurdrift: modelleer de temperatuurcoëfficiënt van de sensor en de temperatuurafhankelijke remanentie; online temperatuurmeting met correctie.
- Excentriciteit/poolstapfout: LUT-linearisatie in de fabriek of in-situ kalibratie (meerpunt-/harmonischencompensatie).
- Strooivelden/EMI: differentieel bedraden, RS422-transmissie, afscherming en enkelpuntsaarding; eventueel zacht-ijzeren afscherming.
- Multiturn-telling: gegevensbehoud bij spanningsuitval via energy harvesting, tandwiel, FRAM/NVRAM en redundantie-consistentiecontrole.
Vergelijking met andere technologieën (Comparisons)
| Technologie | Resolutie/nauwkeurigheid | Omgevingsbestendigheid | Kosten | Typische toepassingen |
|---|---|---|---|---|
| Magnetische encoder | ★★★☆ (tot 18–20+ bit) | ★★★★★ | ★★☆ | Industrie/automotive, ruwe omgevingen, lange levensduur |
| Optische encoder | ★★★★★ (nm/boogseconde-niveau) | ★★☆ | ★★★★ | Precisieverspaning, metrologie, halfgeleiderplatformen |
| Inductieve encoder | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Hoge temperatuur/sterke EMI, zwaar materieel |
| Resolver | ★★☆ (analoge demodulatie) | ★★★★★ | ★★★ | Motorfeedback bij zware trillingen/hoge temperatuur |
| Potentiometer | ★ | ★★ | ★ | Lage kosten, korte levensduur/lagere nauwkeurigheid |
Toepassingen (Applications)
- Industriële automatisering: transport- en heavy-duty-mechanismen, hybride servo-/stappensystemen, liften en havenkranen.
- Automotive/transport: commutatie en positie van elektromotoren, stuur- en pedaalposities, chassis- en stoelverstelling (omgeving ISO 26262).
- Robotica & cobots: gewrichtshoek, wielencoders voor AGV/AMR, mobiele outdoor-platformen.
- Hernieuwbare energie & outdoor-apparatuur: zonne-/windtracking, kleppen & actuatoren, mijnbouw- en bouwmachines.
Installatie & integratie (Installation & Integration)
- Uitlijnen/Coaxialiteit: gebruik bij roterende typen pasranden/fixtures; beperk radiale rondloop en axiale slag; waarborg bij lineaire systemen de rechtlijnigheid van de magnetband en stabiliteit van de drager.
- Luchtspeling: laat marge over het volledige temperatuurbereik volgens het datasheet; verifieer min. SNR en amplitude-marge bij max. snelheid.
- Bekabeling & terminatie: verkies differentieel RS422 of stroomuitgangen; impedantie-matching, afscherming en enkelpuntsaarding om lussen te voorkomen.
- Protocolparameters: stem framelengte, CRC, timing en alarm-bits van SSI/BiSS/SPI/EnDat af op de controller.
- Redundantie & veiligheid: gebruik voor kritische assen dubbel kanaal/dubbele sensor met coherentiemonitoring (ontwerp volgens SIL/PL of ASIL).
Normen & conformiteit (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (IP-bescherming) / IEC 60068-2 (trilling/schok/hoge-lage temp./vocht)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (industriële EMC-immuniteit/emissie), ISO 7637 (automotive transiënten)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (functionele veiligheid voor machines/aandrijvingen/automotive)
- AEC-Q100/Q200 (automotive componentbetrouwbaarheid voor sensor-IC’s/passieven)
De concrete conformiteitseisen worden per sector en project vastgesteld.
Keuzehandleiding (Selection Guide)
- Doelnauwkeurigheid: hoeknauwkeurigheid/lineariteit, resolutie, SDE en jitterdoelen.
- Sensortechnologie: Hall (kostenprioriteit) / AMR / GMR / TMR (prioriteit op resolutie & temperatuurstabiliteit).
- Magneetconcept: meerpolige ring/band/enkelmagneet; poolstap & afmetingen, materiaal & temperatuurrating.
- Interface: incrementeel/sinus of SSI/BiSS/SPI/EnDat; behoefte aan bus-gateway & online diagnose.
- Omgeving & levensduur: IP-graad, temperatuur/olienevel/stof, immuniteit tegen strooivelden; voor automotive/outdoor de juiste kwalificatie/duurzaamheid.
- Mechanica & luchtspeling: toelaatbare uitlijnfouten, luchtspelingvenster, limieten voor toerental; montagehulpmiddelen & seriematige consistentie.
- Compensatie & kalibratie: ondersteuning van LUT voor temperatuur/harmonischen/linearisatie; fabrieks- of in-situ-kalibratiestrategie.
- Veiligheid & redundantie: beoogd veiligheidsniveau, fail-safe ontwerp en diagnose/monitoringinterfaces.
Verklarende woordenlijst (Glossary)
- Poolstap/poolparen (pole pitch/pairs): ruimtelijke lengte van één N-S-cyclus / aantal poolparen.
- SDE (Sub-Division Error): onderverdelingsfout; resterende periodieke fout na interpolatie.
- Stray-field immunity: immuniteit tegen externe/stralende magnetische velden.
- CTE: uitzettingscoëfficiënt; beïnvloedt de thermische passing van magneet en mechanica.
Samenvatting: Door de magnetische meetprincipes, magneet- en mechanisch ontwerp, interfaces en compensatiestrategieën te beheersen en deze te koppelen aan de doelnauwkeurigheid en bedrijfsomstandigheden, realiseert u ook in zware omgevingen betrouwbare, duurzame en diagnoseerbare motion-control en positieterugkoppeling.