📘 Wiki-ul Encoderului
Encodere magnetice
Un encoder magnetic folosește magneți multipolari și senzori magnetici pentru a transforma o deplasare rotativă sau liniară în semnal electric. Datorită rezistenței la ulei, praf și vibrații, domeniului larg de temperatură și toleranțelor mari la montaj, este un element uzual de feedback de poziție în automatizarea industrială, autovehicule și utilaje grele, robotică și echipamente pentru exterior.
Ce este un encoder magnetic (What is a Magnetic Encoder)
Un encoder magnetic este un sistem de senzori care măsoară poziția și viteza pe baza variației periodice a câmpului magnetic. Arhitectura tipică include un magnet (inel/cintă multipolară sau magnet magnetizat radial/axial) și un cap de citire (chip senzor magnetic cu circuit de condiționare a semnalului). Într-un întrefier specificat, capul de citire detectează două semnale apropiate de sin/cos ce variază cu deplasarea; după front-endul analogic și interpolare/decodare, sistemul oferă incrementale A/B/Z, sin/cos 1 Vpp (sau 11 µApp în mod curent) ori poziție absolută (prin SSI/BiSS/SPI/EnDat etc.).
Comparativ cu encoderele optice, encoderele magnetice au robustețe ambientală superioară, durată de viață mai mare și costuri mai reduse; totuși, la limitele de rezoluție, linearitate și eroare de subdivizare (SDE) sunt de regulă ușor inferioare soluțiilor optice high-end.
Principiul de funcționare (Working Principle)
1) Tehnologii de detecție magnetică
- Hall: cost scăzut, tehnologie matură și fiabilă; precizie poziție/unghi medie; necesită compensarea derivei termice.
- AMR (magnetorezistență anisotropă): sensibilitate peste Hall, imunizare mai bună la zgomot.
- GMR/TMR (magnetorezistență gigantică / de efect tunel): sensibilitate maximă, zgomot redus; permit rezoluții mai mari și întrefier mai mic; TMR are derivă termică mai mică, la cost mai ridicat.
- Detecție diferențială: canale în fază/contrafază ce anulează câmpurile magnetice parazite și derivele de mod comun, crescând imunitatea la perturbări.
2) Formarea semnalului și calculul unghiului
- Magnetul, polarizat alternativ N/S pe circumferință sau pe direcție liniară, generează un câmp periodic; capul de citire obține două canale aproximativ sin/cos. Unghiul se poate calcula, de exemplu, cu:
theta = atan2(V_sin, V_cos) - Interpolarea digitală sau o buclă blocată în fază (PLL) subdivid unghiul sau deplasarea; versiunile absolute furnizează un cod unic prin codare mono/multitură, numărătoare redundantă sau trame de protocol.
3) Relația viteză–frecvență (formule text)
- Rotativ:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Liniar:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
unde RPM este turația, pole_pairs numărul de perechi de poli, edges_per_cycle numărul de tranziții utile pe ciclu electric; v este viteza liniară, iar p pasul polilor al benzii magnetice.
Clasificare (Classification)
- După tipul mișcării: encodere rotative (inel/magnet radial/axial, montaj pe axă / în afara axei – on-axis/off-axis) / encodere liniare (cintă/grilă magnetică multipolară).
- După ieșire: incrementale (A/B/Z; TTL/HTL/RS422; sin/cos 1 Vpp, 11 µApp) / absolute (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat; cu gateway spre CANopen/EtherCAT etc.).
- După magnet: inele multipolare (montaj pe diametrul interior/exterior, pas fix), magneți magnetizați radial/axial (puține perechi de poli, volum redus), benzi flexibile (curse lungi, instalare facilă).
- După chipul senzor: senzor unghiular integrat (include AFE + CORDIC/SIN/COS) / arhitectură discretă (AFE + ADC + MCU/FPGA pentru interpolare & codare).
Ieșiri și interfețe (Outputs & Interfaces)
| Categorie | Tip de semnal | Scenariu tipic |
|---|---|---|
| Undă pătrată incrementală | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Contoare de mare viteză PLC, bucle de viteză/poziție |
| Sin/Cos | 1 Vpp, 11 µApp | Interpolare de înaltă rezoluție, aplicații cu SDE redus |
| Serial absolut | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Poziție absolută, numărători multitură, diagnostic |
| Magistrală/Ethernet industrial | CANopen, EtherCAT, PROFINET (prin modul de interfață) | Sincronizare multi-axă, distanțe mari, diagnostic online |
Specificații cheie (Key Specifications)
| Indicator | Interval tipic / Observații |
|---|---|
| Rezoluție | Rotativ: 12–18 bit (Hall/AMR), 18–20+ bit (GMR/TMR cu interpolare). Liniar: pas al scalei 5–50 µm, interpolat la 1–5 µm; echipamentele de top ating sub-micron. |
| Precizie unghiulară | Absolut rotativ: ±0,05° ~ ±0,5° (depinde de magnet și excentricitate). |
| Repetabilitate/Jitter | Repetabilitate mai bună de ±0,05°; jitterul depinde de SNR și de ceasul de interpolare. |
| SDE (Sub-Division Error) | De regulă mai bună de ±0,1° (high-end ≤ ±0,03°); la liniare se exprimă în µm. |
| Întrefier magnetic | 0,5–2,5 mm (în funcție de energia magnetului și de matricea senzorului). |
| Pas / perechi de poli | Inel: frecvent 2–64 perechi; bandă: pas de 2–5 mm. |
| Viteză maximă | Rotativ > 10.000 RPM; liniar > 3 m/s (în funcție de interfață). |
| Domeniu de temperatură | −40 °C ~ +125/150 °C (grad automotive), necesită compensare termică. |
| Protecție/contaminare | IP50–IP67; tolerant la ulei, praf, lichide de răcire. |
| EMC/ESD | Conform cerințelor industriale/auto; proiectarea diferențială și ecranarea sunt critice. |
Notă: Performanța reală depinde de materialul și calitatea magnetizării, excentricitate/înclinare, întrefier, ecranare și algoritmii de compensare.
Magnet și mecanică (Magnet & Mechanics)
- Materiale magnetice: NdFeB (produs de energie ridicat; susceptibil la demagnetizare – necesar control termic), SmCo (stabilitate termică înaltă, cost mai mare), ferrită (cost redus, volum mai mare).
- Mod de magnetizare: radial/axial sau multipolar pe inel; uniformitatea pasului de pol afectează direct linearitatea și erorile armonice.
- Erori geometrice: excentricitatea (runout) introduce erori unghiulare armonice de ordinul 1/2; înclinarea/bătaia cauzează dezechilibru de amplitudine/fază și distorsiune.
- Toleranțe ale întrefierului: prea mare reduce amplitudinea și SNR; prea mic crește riscul de frecare și nepotrivirea termică.
- Imunitate la câmpuri parazite: structuri diferențiale, concentrare de flux sau inel de ecranare; evitați armonicile dinții statorului motorului; evaluați stray-field immunity când este necesar.
Surse de eroare & compensare (Error Sources & Compensation)
- Dezechilibru amplitudine/fază & elipticitate: reduceți SDE prin AGC (control automat al câștigului), egalizare de fază și compensare eliptică.
- Derivă termică: modelarea coeficientului termic al senzorului și a remanenței magnetului vs. temperatură; corecție online cu măsurarea temperaturii.
- Excentricitate / eroare de pas de pol: linearizare cu LUT în fabrică sau calibrare in-situ (ajustare multipunct/compensare armonică).
- Câmpuri parazite/EMI: rutare diferențială, transmisie RS422, ecranare și împământare în punct unic; adăugați ecranare din fier moale la nevoie.
- Numărare multitură: păstrarea numărării fără alimentare prin energy harvesting/roți dințate/FRAM/NVRAM cu verificări redundante de consistență.
Comparație cu alte tehnologii (Comparisons)
| Tehnologie | Rezoluție/precizie | Robusteză ambientală | Cost | Aplicație tipică |
|---|---|---|---|---|
| Encoder magnetic | ★★★☆ (până la 18–20+ bit) | ★★★★★ | ★★☆ | Industrie/auto, medii dure, durată mare |
| Encoder optic | ★★★★★ (nivel nm/arcsec) | ★★☆ | ★★★★ | Mașini-unelte de precizie, metrologie, platforme semiconductoare |
| Encoder inductiv | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Temperatură înaltă/EMI puternic, utilaje grele |
| Resolver | ★★☆ (demodulare analogică) | ★★★★★ | ★★★ | Vibrații/temperaturi ridicate, feedback motor |
| Potentiometru | ★ | ★★ | ★ | Cost redus, viață scurtă/precizie limitată |
Aplicații (Applications)
- Automatizare industrială: transportoare și mecanisme de sarcină mare, sisteme hibride servo/pas-cu-pas, ascensoare și echipamente portuare.
- Auto/transport: comutație și poziționare motor, direcție și pedale, poziția șasiului și a scaunului (mediu ISO 26262).
- Robotică & coboturi: unghi de articulație, encoder de roată pentru AGV/AMR, platforme mobile pentru exterior.
- Energie regenerabilă & echipamente outdoor: urmărire solară/eoliană, vane și actuatoare, utilaje miniere și de construcții.
Puncte cheie de instalare & integrare (Installation & Integration)
- Centrare/coaxialitate: la rotative, folosiți umăr de centrare/șabloane și controlați runout-ul radial și axial; la liniare, asigurați rectiliniaritatea benzii și stabilitatea suportului.
- Setarea întrefierului: conform fișei de catalog, cu marjă pe întregul domeniu termic; verificați rezerva de amplitudine la SNR minimă și viteză maximă.
- Cablați & terminați: preferați interfețe diferențiale RS422 sau în curent; potrivire de impedanță, ecranare și împământare în punct unic pentru a evita buclele.
- Parametri de protocol: lungimea tramei, CRC, temporizări și biți de alarmă pentru SSI/BiSS/SPI/EnDat trebuie să corespundă controlerului.
- Redundanță & siguranță: pe arbori critici folosiți canal/detecție dublă cu monitorizare de consistență (SIL/PL sau ASIL).
Standarde & conformitate (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (grade IP) / IEC 60068-2 (vibrații/șoc/temperaturi înalte-joase/umiditate)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (imunitate/emisie EMC industrială), ISO 7637 (tranzitorii auto)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (siguranță funcțională pentru mașini/acționări/auto)
- AEC-Q100/Q200 (fiabilitate componente grad automotive pentru senzori/pasive)
Lista finală de conformitate se adaptează sectorului și cerințelor proiectului.
Ghid de selecție (Selection Guide)
- Ținte de acuratețe: precizie/linearitate unghiulară, rezoluție, SDE și jitter.
- Tehnologie de detecție: Hall (prioritate cost) / AMR / GMR / TMR (prioritate rezoluție & stabilitate termică).
- Soluție de magnet: inel/bandă/magnet unic; pas de pol & dimensiuni, material & clasă termică.
- Interfață de ieșire: incremental/sin-cos sau SSI/BiSS/SPI/EnDat; nevoie de gateway de magistrală & diagnostic online.
- Mediu & durabilitate: grad IP, ulei/praf/lichide de răcire, imunitate la câmpuri parazite; pentru auto/exterior, cerințe de durabilitate automotive.
- Mecanică & întrefier: toleranțe de centrare, fereastra întrefierului, limită de viteză; dispozitive de montaj și consistență pe lot.
- Compensare & calibrare: suport pentru compensare termică/armonică/linearizare cu LUT; strategie la fabrică sau in-situ.
- Siguranță & redundanță: nivel de siguranță funcțională, fail-safe și interfețe de monitorizare a defectelor.
Glosar (Glossary)
- Pas/perechi de poli (pole pitch/pairs): lungimea spațială a unui ciclu N–S / numărul de perechi.
- SDE (Sub-Division Error): eroare de subdivizare; eroare periodică reziduală după interpolare.
- Stray-Field Immunity: imunitate la câmpuri magnetice parazite/externe.
- CTE: coeficient de dilatare termică; influențează cuplajul termic între magnet și piese mecanice.
Concluzie: Stăpânirea principiilor de detecție magnetică, a proiectării magnetului și mecanicii, a interfețelor și strategiilor de compensare—aliniate la obiectivele de acuratețe și condițiile de lucru—permite implementarea unui feedback de poziție fiabil, durabil și diagnosticabil chiar și în medii severe.