📘 Kodarewiki
Magnetiska encodrar
Magnetiska encoders bygger på flerpoliga magneter och magnetsensorer för att omvandla rotations- eller linjär förflyttning till elektriska signaler. De är tåliga mot olja och damm, vibrationsbeständiga, har ett brett temperaturområde och stora toleranser vid montering. Därför används de ofta som positionsåterkopplingsenheter inom industriell automation, fordon och tung utrustning, robotik samt utomhusapplikationer.
Vad är en magnetisk encoder (What is a Magnetic Encoder)
En magnetisk encoder är ett sensorsystem som utnyttjar periodiska variationer i magnetfältet för att mäta position och hastighet. Den typiska strukturen består av en magnet (flerpolig magnetring/magnetband/radiellt eller axiellt magnetiserad magnet) och ett läshuvud (magnetsensor-IC med signalkonditioneringskretsar). Inom ett specificerat luftgap detekterar läshuvudet sin/cos-signaler som varierar med förflyttningen; efter AFE och interpolering/avkodning utges inkrementella A/B/Z, sinus/cosinus 1 Vpp (eller strömdrivet), eller absolut position (SSI/BiSS/SPI/EnDat m.fl.).
Jämfört med optiska encoders har magnetiska encoders bättre miljötålighet, längre livslängd och lägre kostnad; vid extrema krav på upplösning, linearitet och underindelningsfel (SDE) presterar dock high-end optiska lösningar ofta ännu bättre.
Verkningsprincip (Working Principle)
1) Magnetisk sensorteknik
- Hall: låg kostnad, mogen och pålitlig; medelhög positions-/vinkelnoggrannhet; temperaturdrift kräver kompensation.
- AMR (anisotrop magnetoresistans): högre känslighet än Hall, bättre brusimmunitet.
- GMR/TMR (gigantisk/tunnel-magnetoresistans): högst känslighet och lågt brus; stödjer högre upplösning och mindre luftgap; TMR har lägre temperaturdrift men högre kostnad.
- Differentiell mätning: kanaler i fas/motfas undertrycker externa ströfält och common-mode-drift och höjer störimmuniteten.
2) Signalförmning och vinkelberäkning
- Magneterna är längs omkretsen eller linjen växelvis magnetiserade N/S och bildar ett periodiskt fält; läshuvudet erhåller approximativa sin/cos-signaler. Vinkeln kan beräknas som:
theta = atan2(V_sin, V_cos). - Digital interpolering eller PLL (faslåst slinga) förfinar vinkel eller läge; absoluta system levererar en unik kod via single-turn/multi-turn-kodning, redundant räkning eller protokollramar.
3) Samband mellan hastighet och frekvens (ren textformel)
- Rotation:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Linjärt:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
(där RPM är varvtal, pole_pairs antal polpar, edges_per_cycle effektiva flanker per elektrisk cykel; v linjärhastighet och p polsteg för magnetbandet.)
Klassificering (Classification)
- Efter rörelseform: roterande encoders (ring/radiellt magnetiserad magnet, on-axis/off-axis) / linjära encoders (flerpoligt magnetband/magnetgaller).
- Efter utgång: inkrementell (A/B/Z, TTL/HTL/RS422; sinus/cosinus 1 Vpp, 11 µApp) / absolut (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat, via gateway även CANopen/EtherCAT m.fl.).
- Efter magnet: flerpoliga ringar (montering på inre/ytre diameter, fast polsteg), radiellt/axiellt magnetiserade magneter (få polpar, kompakt), flexibelt magnetband (lång slaglängd, enkel montering).
- Efter sensor-IC: enkrets vinkelsensor (integrerad AFE + CORDIC/SIN/COS) / diskret AFE + ADC + MCU/FPGA för interpolering/kodning.
Utgångar & gränssnitt (Outputs & Interfaces)
| Kategori | Signalsätt | Typiska scenarier |
|---|---|---|
| Inkrementell fyrkantvåg | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | PLC-höghastighetsräkning, hastighets-/positionsslinga |
| Sinus/cosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Högupplöst interpolering, låg SDE |
| Absolut seriell | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Absolut position, multi-turn-räkning, diagnostik |
| Fältbuss/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET (via modul) | Multiaxelsynkronisering, långa avstånd & online-diagnostik |
Viktiga specifikationer (Key Specifications)
| Parameter | Typiskt intervall / beskrivning |
|---|---|
| Upplösning | Rotation: 12–18 bit (Hall/AMR), 18–20+ bit (GMR/TMR med interpolering); linjär: grundsteg 5–50 µm, interpolerat till 1–5 µm, toppklass sub-µm |
| Vinkelnoggrannhet | Absolut, roterande: ±0,05° ~ ±0,5° (beroende på magnet och excentricitet) |
| Repeterbarhet/jitter | Repeterbarhet bättre än ±0,05°; jitter beror på SNR och interpoleringsklocka |
| Underindelningsfel (SDE) | typiskt ≤ ±0,1° (high-end ≤ ±0,03°); linjärt anges i µm |
| Magnetiskt luftgap | 0,5–2,5 mm (beroende på magnetenergi och sensorarray) |
| Polsteg/polpar | Ringar ofta 2–64 polpar; band vanligtvis 2–5 mm polsteg |
| Maxhastighet | mekaniskt > 10 000 rpm; linjärt > 3 m/s (beroende på gränssnitt) |
| Temperaturområde | −40 °C ~ +125/150 °C (fordonsklass), kräver temperaturkompensation |
| Smuts/skydd | IP50–IP67; tål oljedimma, damm och kylvätska |
| EMC/ESD | Uppfyller industriella/automotiva EMC-krav; differentielldragning och skärmning är avgörande |
Obs: Faktisk prestanda påverkas av magnetmaterial och magnetiseringskvalitet, excentricitet/lutning, luftgap, skärmning och algoritmisk kompensation.
Magnet & mekanik (Magnet & Mechanics)
- Materialval: NdFeB (hög energiprodukt; risk för avmagnetisering → termisk kontroll), SmCo (stabil vid hög temp.; högre kostnad), ferrit (låg kostnad; större volym).
- Magnetisering: radiell/axiell eller flerpolig ringmagnetisering; polstegs-uniformitet påverkar direkt linearitet och harmoniska fel.
- Geometrifel: excentricitet (runout) ger vinkelharmoniska av 1:a/2:a ordningen; lutning/kast ger amplitud-/fasobalans och distorsion.
- Luftgapstolerans: för stort → amplitudreduktion och sämre SNR; för litet → risk för kontakt och termisk mismatch.
- Ströfältimmunitet: differentielldesign, flödeskoncentratorer eller skärmningsringar; håll avstånd till statortandernas harmoniska fält; utvärdera vid behov stray-field immunity.
Felkällor & kompensation (Error Sources & Compensation)
- Amplitud-/fasobalans / ellipsfel: minska SDE med AGC, fasequalisering och ellipskompensation.
- Temperaturdrift: modellera sensorns temperaturkoefficient och magnetens remanens kontra temperatur; online temperaturmätning med korrigering.
- Excentricitet/polstegsfel: LUT-linjärisering i fabrik eller in-situ-kalibrering (multipunkts-/harmoniskkompensation).
- Ströfält/EMI: differentielldragning, RS422-överföring, skärmning och enkelpunktsjordning; vid behov mjukjärnsskärmning.
- Multi-turn-räkning: bibehållen räkning vid strömavbrott med energy harvesting, växellösningar, FRAM/NVRAM och redundans-koherenskontroll.
Jämförelse med andra tekniker (Comparisons)
| Teknik | Upplösning/noggrannhet | Miljötålighet | Kostnad | Typiska applikationer |
|---|---|---|---|---|
| Magnetisk encoder | ★★★☆ (upp till 18–20+ bit) | ★★★★★ | ★★☆ | Industri/fordon, tuffa miljöer, lång livslängd |
| Optisk encoder | ★★★★★ (nm/bågsek-nivå) | ★★☆ | ★★★★ | Precisionsmaskiner, metrologi, halvledarplattformar |
| Induktiv encoder | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Hög temperatur/stark EMI, tung utrustning |
| Resolver | ★★☆ (analog demodulering) | ★★★★★ | ★★★ | Motorfeedback vid kraftiga vibrationer/hög temp. |
| Potentiometer | ★ | ★★ | ★ | Låg kostnad, kort livslängd/lägre noggrannhet |
Tillämpningar (Applications)
- Industriell automation: transport- och tungmekanismer, hybrid servo/steppsystem, hissar och hamnkranar.
- Fordon/transport: kommutering och positionsmätning för elmotorer, ratt- och pedalposition, chassi-/stolsjustering (miljö enligt ISO 26262).
- Robotik & cobotar: ledvinkel, hjulencoders för AGV/AMR, mobila utomhusplattformar.
- Förnybar energi & utomhusutrustning: sol-/vindspårning, ventiler & ställdon, gruv- och byggmaskiner.
Installation & integrering (Installation & Integration)
- Uppriktning/koaxialitet: använd vid roterande typer styrskuldra/fixturer; kontrollera radiellt kast och ändytkast; säkerställ för linjära system bandets rakhet och bärarens stabilitet.
- Luftgap: lämna marginal över hela temperaturområdet enligt datablad; verifiera minsta SNR och amplitudmarginal vid maxhastighet.
- Kabeldragning & terminering: föredra differentiell RS422 eller strömgränssnitt; impedansanpassning, skärmning och enkelpunktsjordning för att undvika slingor.
- Protokollparametrar: säkerställ att ramlängd, CRC, timing och larmsignaler för SSI/BiSS/SPI/EnDat matchar styrsystemet.
- Redundans & säkerhet: kritiska axlar med dubbel kanal/dubbla sensorer och koherensövervakning (design enligt SIL/PL eller ASIL).
Standarder & efterlevnad (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (IP-skydd) / IEC 60068-2 (vibration/stöt/hög-låg temp./fukt)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (industriell EMC-immunitet/-emission), ISO 7637 (fordonstransienter)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (funktionell säkerhet för maskiner/drivsystem/fordon)
- AEC-Q100/Q200 (automotive komponenttillförlitlighet för sensor-IC:er/passiva komponenter)
Faktiska krav väljs efter bransch och projekt.
Urvalsguide (Selection Guide)
- Målnoggrannhet: vinkel-/linearitetskrav, upplösning, SDE och jitter.
- Sensorteknik: Hall (kostnadsprioritet) / AMR / GMR / TMR (prioritet på upplösning & temperaturstabilitet).
- Magnetkoncept: flerpolig ring/band/enkelmagnet; polsteg & dimensioner, material & temperaturklass.
- Utgångsgränssnitt: inkrementell/sinus eller SSI/BiSS/SPI/EnDat; behov av buss-gateway & online-diagnostik.
- Miljö & livslängd: IP-klass, temperatur/oljedimma/damm, ströfältimmunitet; för fordon/utomhus krävs rätt kvalificering/uthållighet.
- Mekanik & luftgap: tillåten uppriktningsfel, luftgapsfönster, varvtalsgränser; monteringsfixturer & seriekonstans.
- Kompensation & kalibrering: stöd för LUT för temperatur/harmoniska/linjärisering; fabrikskalibrering eller in-situ.
- Säkerhet & redundans: efterfrågad säkerhetsnivå, fail-safe-strategi och övervakningsgränssnitt.
Ordlista (Glossary)
- Polsteg/polpar (pole pitch/pairs): den spatiala längden av en N-S-cykel / antal polpar.
- SDE (Sub-Division Error): underindelningsfel; kvarvarande periodiskt fel efter interpolering.
- Stray-field immunity: immunitet mot externa magnetiska ströfält.
- CTE: värmeutvidgningskoefficient; påverkar den termiska passningen mellan magnet och mekanik.
Sammanfattning: Genom att behärska magnetiska mätprinciper, magnet- och mekanikkonstruktion, gränssnitt och kompensationsstrategier – och para detta med krav på noggrannhet och driftsmiljö – kan man uppnå tillförlitlig, långlivad och diagnostiserbar rörelsestyrning och positionsåterkoppling även i tuffa miljöer.