📘 Wiki Enkodéra
Magnetické enkodéry
Magnetické enkodéry využívajú viacpólové magnety a magnetické snímače na konverziu rotačného alebo lineárneho posuvu na elektrický signál. Vyznačujú sa odolnosťou voči oleju a prachu, vysokou odolnosťou proti vibráciám, širokým teplotným rozsahom a veľkými montážnymi toleranciami, a preto sa bežne používajú ako prvky spätnej väzby polohy v priemyselnej automatizácii, automobilovej a ťažkej technike, robotike a v outdoorových zariadeniach.
Čo je magnetický enkodér (What is a Magnetic Encoder)
Magnetický enkodér je senzorový systém, ktorý využíva periodické zmeny magnetického poľa na meranie polohy a rýchlosti. Typická architektúra sa skladá z magnetu (viacpólový prstenec/pás, radiálne alebo axiálne zmagnetovaný permanentný magnet) a čítacej hlavy (magnetický senzorový čip a obvody pre úpravu signálu). Čítacia hlava v predpísanej vzduchovej medzere sníma približne sin/cos signály meniace sa s posuvom. Po spracovaní v analógovom front-ende (AFE) a po interpolácii/dekódovaní enkodér poskytuje inkrementálne výstupy A/B/Z, sin/cos 1 Vpp (alebo prúdový výstup), prípadne absolútnu polohu cez SSI/BiSS/SPI/EnDat atď.
V porovnaní s optickými enkodérmi majú magnetické lepšiu odolnosť voči prostrediu, dlhšiu životnosť a priaznivejšie náklady; v oblasti limitného rozlíšenia, linearity a chyby jemného delenia (SDE) však zvyčajne mierne zaostávajú za špičkovými optickými riešeniami.
Princíp činnosti (Working Principle)
1) Magnetické snímacie technológie
- Hallov efekt (Hall): nízka cena, osvedčená spoľahlivosť; stredná presnosť polohy/uhla; teplotný drift vyžaduje kompenzáciu.
- AMR (anizotropná magnetorezistencia): vyššia citlivosť než Hall, lepšia odolnosť voči šumu.
- GMR/TMR (obrovská/tunelová magnetorezistencia): najvyššia citlivosť a nízky šum, umožňuje vyššie rozlíšenie a menšiu vzduchovú medzeru; TMR má nižší teplotný drift, no vyššie náklady.
- Diferenciálne meranie: súfázové/protifázové kanály potláčajú vonkajšie blúdivé polia a spoločnomódový teplotný drift, čím zvyšujú odolnosť proti rušeniu.
2) Tvorba signálu a výpočet uhla
- Magnet striedavo polarizovaný N/S po obvode alebo pozdĺž priamky vytvára periodické pole; čítacia hlava získava približne sin/cos signály. Uhol sa počíta:
theta = atan2(V_sin, V_cos). - Digitálna interpolácia alebo PLL jemne delí uhol či posuv; absolútne vyhotovenia poskytujú jedinečný kód pomocou viackruhového/jednokruhového počítania, redundancie alebo rámcov protokolu.
3) Vzťah rýchlosti a frekvencie (čistý text)
- Rotácia:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Lineárny pohyb:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
(kde RPM sú otáčky, pole_pairs je počet párov pólov, edges_per_cycle počet platných hrán na elektrický cyklus; v je lineárna rýchlosť a p pólová rozteč magnetickej pásky.)
Klasifikácia (Classification)
- Podľa pohybu: rotačné enkodéry (prstencové/radiálne magnety, on-axis/off-axis) / lineárne enkodéry (viacpólová magnetická páska/mriežka).
- Podľa výstupu: inkrementálne (A/B/Z, TTL/HTL/RS-422; sin/cos 1 Vpp, 11 µApp) / absolútne (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat, prípadne cez bránu na CANopen/EtherCAT atď.).
- Podľa magnetu: viacpólové prstence (montáž na vnútorný/vonkajší priemer, pevná pólová rozteč), radiálne/axiálne zmagnetované valce (málo párov pólov, kompaktné), flexibilná magnetická páska (dlhé zdvihy, jednoduchá montáž).
- Podľa snímača: jednočipové snímače uhla (integrované AFE + CORDIC/SIN/COS) / diskrétny AFE + ADC + MCU/FPGA pre interpoláciu a kódovanie.
Výstupy a rozhrania (Outputs & Interfaces)
| Kategória | Typ signálu | Typické použitie |
|---|---|---|
| Inkrementálny obdĺžnik | A/B (+Z), TTL/HTL/RS-422 | Rýchle čítanie PLC, rýchlostná/polohová slučka |
| Sinus/cosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Vysokorozlišovacia interpolácia, nízke SDE |
| Absolútne sériové | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Absolútna poloha, viackruhové počítanie, diagnostika |
| Zbernica/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET (cez rozhranový modul) | Synchronizácia viacerých osí, dlhé vzdialenosti, on-line diagnostika |
Kľúčové parametre (Key Specifications)
| Parameter | Typický rozsah / Poznámky |
|---|---|
| Rozlíšenie | Rotácia: 12–18 bitov (Hall/AMR), 18–20+ bitov (GMR/TMR s interpoláciou); Lineárne: natívne 5–50 µm rozteč mriežky, interpolácia na 1–5 µm, špičkové až submikrón |
| Uhlová presnosť | Absolútne rotačné: ±0,05° až ±0,5° (závisí od magnetu a excentricity) |
| Opakovateľnosť/jitter | Opakovateľnosť lepšia než ±0,05°; jitter závisí od SNR a hodinovej frekvencie interpolácie |
| SDE (Sub-Division Error) | Zvyčajne ≤ ±0,1° (high-end ≤ ±0,03°); pri lineárnych v µm |
| Vzduchová medzera | 0,5–2,5 mm (podľa energie magnetu a snímacej matice) |
| Pólová rozteč / páry pólov | Prstence bežne 2–64 párov pólov; pásky zvyčajne 2–5 mm |
| Max. rýchlosť | Mechanické otáčky > 10 000 RPM; lineárne > 3 m/s (podľa rozhrania) |
| Teplotný rozsah | −40 °C až +125/150 °C (automotive), nutná teplotná kompenzácia |
| Odolnosť/krytie | IP50–IP67; odolné voči olejovej hmle, prachu, chladiacim kvapalinám |
| EMC/ESD | Spĺňa priemyselné/automotive EMC; kľúčové je diferenciálne vedenie a tienenie |
Pozn.: Skutočný výkon ovplyvňuje materiál a kvalita zmagnetovania, excentricita/náklon, vzduchová medzera, tienenie a algoritmická kompenzácia.
Magnet a mechanika (Magnet & Mechanics)
- Voľba magnetického materiálu: NdFeB (vysoký energetický súčin; náchylný na demagnetizáciu – vyžaduje tepelnú kontrolu), SmCo (stabilný pri vysokých teplotách; vyššie náklady), ferit (nízka cena; väčší objem).
- Spôsob magnetizácie: radiálna/axiálna alebo viacpólová prstencová magnetizácia; rovnomernosť pólovej rozteče priamo ovplyvňuje linearitu a harmonické chyby.
- Geometrické chyby: excentricita (hádzanie) vyvoláva 1./2. harmonickú uhlovej chyby; náklon/axiálne hádzanie spôsobujú amplitúdovo-fázovú nevyváženosť a skreslenie.
- Tolerance vzduchovej medzery: príliš veľká → útlm amplitúdy a nižšie SNR; príliš malá → riziko kontaktu a teplotnej nezhody.
- Odolnosť voči blúdivým poliam: diferenciálne štruktúry, koncentrátory toku alebo tieniace krúžky; držať sa ďalej od silných zubových harmonických statora motora; v prípade potreby posúdiť stray-field immunity.
Chyby a kompenzácia (Error Sources & Compensation)
- Nevyváženosť amplitúdy/fázy a eliptická chyba: znižujte SDE pomocou AGC, fázového vyrovnania a eliptickej kompenzácie.
- Teplotný drift: modelujte teplotné koeficienty senzora a remanenciu magnetu vs. teplota; korigujte pomocou on-line merania teploty.
- Excentricita/chyby pólovej rozteče: továrenská linearizácia LUT alebo kalibrácia in-situ (viacbodové fitovanie/harmonická kompenzácia).
- Blúdivé polia/EMI: diferenciálne vedenie, prenos RS-422, tienenie a jednobodové uzemnenie; ak treba, tienenie z mäkkého železa.
- Viackruhové počítanie: uchovanie počtu pri výpadku napájania pomocou zberu energie, ozubenia alebo FRAM/NVRAM, s kontrolami redundancie.
Porovnanie (Comparisons)
| Technológia | Rozlíšenie/Presnosť | Odolnosť prostredia | Náklady | Typické aplikácie |
|---|---|---|---|---|
| Magnetický enkodér | ★★★☆ (až 18–20+ bitov) | ★★★★★ | ★★☆ | Priemysel/automotive, drsné prostredie, dlhá životnosť |
| Optický enkodér | ★★★★★ (nm/arcsec) | ★★☆ | ★★★★ | Presné obrábacie stroje, metrológia, polovodičové platformy |
| Induktívny enkodér | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Vysoké teploty/silné EMI, ťažké stroje |
| Resolver | ★★☆ (analógová demodulácia) | ★★★★★ | ★★★ | Spätná väzba motora pri vysokých vibráciách/teplotách |
| Potenciometer | ★ | ★★ | ★ | Nízke náklady, krátka životnosť/nízka presnosť |
Aplikácie (Applications)
- Priemyselná automatizácia: dopravníky a ťažké mechanizmy, hybridné servo/krokové systémy, výťahy a prístavná technika.
- Automotive/doprava: komutácia a poloha motora, riadenie a pedále, podvozok a nastavenie sedadiel (prostredie ISO 26262).
- Robotika a kolaboratívne ramená: kĺbové uhly, kolové enkodéry AGV/AMR, outdoorové mobilné platformy.
- Obnoviteľné zdroje a outdoorové zariadenia: solárne/veterné sledovanie, ventily a aktuátory, banské a stavebné stroje.
Poznámky k inštalácii a integrácii (Installation & Integration)
- Súososť/vycentrovanie: pri rotačných typoch preferujte ustavovacie osadenie/prípravok; kontrolujte radiálne aj čelné hádzanie; pri lineárnych typoch zabezpečte priamkovosť pásky a stabilný nosič.
- Nastavenie vzduchovej medzery: riaďte sa katalógom s rezervou pre celý teplotný rozsah; overte minimálne SNR a amplitúdovú rezervu pri maximálnej rýchlosti.
- Vedenie a zakončenie: preferujte diferenciálne RS-422 alebo prúdový výstup; dbajte na impedančné prispôsobenie, tienenie a jednobodové uzemnenie, aby ste predišli slučkám.
- Parametre protokolu: SSI/BiSS/SPI/EnDat musia mať zhodnú dĺžku rámca, CRC, časovanie a alarmové bity s riadiacim systémom.
- Redundancia a bezpečnosť: na kritických osiach použite dvojkanálové/dvojité snímanie so sledovaním zhody (SIL/PL alebo ASIL).
Normy a zhoda (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (stupeň krytia IP) / IEC 60068-2 (vibrácie/rázy/vysoké-nízke teploty/vlhkosť)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (priemyselná EMC imunita/emisie), ISO 7637 (automotive prechodové javy)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (funkčná bezpečnosť strojov/pohonov/automotive)
- AEC-Q100/Q200 (automotive spoľahlivosť pre senzorové IO a pasívne súčiastky)
Konkrétne požiadavky na zhodu prispôsobte danému odvetviu a projektu.
Sprievodca výberom (Selection Guide)
- Cieľová presnosť: uhlová presnosť/linearita, rozlíšenie, SDE a cieľ pre jitter.
- Snímacia technológia: Hall (priorita nákladov) / AMR / GMR / TMR (priorita rozlíšenia a teplotného driftu).
- Magnetická koncepcia: viacpólový prstenec/pás/jednotlivý magnet; pólová rozteč a rozmery, materiál a teplotná trieda.
- Výstupné rozhranie: inkrementálne/sinus alebo SSI/BiSS/SPI/EnDat; potreba zbernicovej brány a on-line diagnostiky.
- Prostredie a životnosť: stupeň krytia IP, teplota/olejová hmla/prach, odolnosť voči blúdivým poliam; pre automotive/outdoor voľte automotive kvalifikáciu a životnosť.
- Mechanika a vzduchová medzera: povolené chyby súososti, okno vzduchovej medzery, limity rýchlosti; montážne prípravky a sériová konzistentnosť.
- Kompenzácia a kalibrácia: podpora LUT pre teplotu/harmonické/linearizáciu; stratégia továrenskej vs. in-situ kalibrácie.
- Bezpečnosť a redundancia: úroveň funkčnej bezpečnosti, fail-safe správanie a rozhrania sledovania porúch.
Pojmy (Glossary)
- Pólová rozteč/páry pólov (pole pitch/pairs): priestorová dĺžka jedného N–S cyklu / počet párov pólov.
- SDE (Sub-Division Error): chyba jemného delenia; zvyšková periodická chyba po interpolácii.
- Stray-field immunity: odolnosť voči vonkajším blúdivým magnetickým poliam.
- CTE: koeficient tepelnej rozťažnosti; ovplyvňuje teplotné prispôsobenie magnetu a mechanických častí.
Zhrnutie: Ovládnutie princípov magnetického snímania, návrhu magnetu a mechaniky, rozhraní a kompenzačných stratégií a ich zosúladenie s cieľovou presnosťou a prevádzkovými podmienkami umožní dosiahnuť vysoko spoľahlivé, dlhoživotné a diagnostikovateľné riadenie pohybu a spätnú väzbu polohy aj v drsných podmienkach.