📘 วิกิเอนโค้ดเดอร์
เอนโคเดอร์แม่เหล็ก
ตัวเข้ารหัสแบบแม่เหล็ก (Magnetic Encoder) ใช้แม่เหล็กหลายขั้วร่วมกับเซ็นเซอร์แม่เหล็กเป็นแกนหลัก เพื่อแปลงการเคลื่อนที่เชิงหมุนหรือเชิงเส้นให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า มีความทนต่อคราบน้ำมัน ฝุ่น และการสั่นสะเทือน ครอบคลุมช่วงอุณหภูมิกว้าง และยอมรับคลอนการติดตั้งได้มาก จึงนิยมใช้เป็นอุปกรณ์ป้อนกลับตำแหน่งใน ระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม, ยานยนต์และเครื่องจักรงานหนัก, หุ่นยนต์, และ อุปกรณ์ภายนอกอาคาร
ตัวเข้ารหัสแบบแม่เหล็กคืออะไร (What is a Magnetic Encoder)
ตัวเข้ารหัสแบบแม่เหล็กเป็นระบบเซ็นเซอร์ที่วัด ตำแหน่งและความเร็ว จาก การเปลี่ยนแปลงแบบมีคาบของสนามแม่เหล็ก โครงสร้างทั่วไปประกอบด้วย แม่เหล็ก (แหวน/เทปหลายขั้ว หรือแม่เหล็กที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กแบบรัศมี/แกน) และ หัวอ่าน (readhead) ซึ่งภายในมี ชิปเซ็นเซอร์แม่เหล็ก และวงจรปรับสภาพสัญญาณ เมื่อทำงานใน ช่องว่างอากาศ (air gap) ที่กำหนด หัวอ่านจะรับสัญญาณ sin/cos ที่แปรตามการกระจัด จากนั้นผ่านแอนะล็อกฟรอนต์เอนด์และการ แทรกค่าหรือถอดรหัส เพื่อให้ได้เอาต์พุต แบบเพิ่มพูน (incremental) A/B/Z, sin/cos 1 Vpp (หรือแบบกระแส 11 µApp) หรือ ตำแหน่งแบบสัมบูรณ์ ผ่านโปรโตคอล SSI/BiSS/SPI/EnDat เป็นต้น
เมื่อเทียบกับตัวเข้ารหัสแบบออปติคัล รุ่นแม่เหล็กมี ความทนสภาพแวดล้อมสูงกว่า อายุการใช้งานยาวกว่า และ คุ้มต้นทุนกว่า; แต่ที่ขีดจำกัดของ ความละเอียด, ความเป็นเชิงเส้น, และ ข้อผิดพลาดการแบ่งย่อย (SDE) มักด้อยกว่าวิธีออปติคัลระดับไฮเอนด์เล็กน้อย
หลักการทำงาน (Working Principle)
1) เทคโนโลยีการรับรู้สนามแม่เหล็ก
- Hall: ต้นทุนต่ำ เทคโนโลยีสุกงอมและเชื่อถือได้ ความแม่นยำเชิงตำแหน่ง/เชิงมุมระดับกลาง ต้องชดเชยดริฟต์อุณหภูมิ
- AMR (Anisotropic Magnetoresistance): ไวต่อสนามมากกว่า Hall และทนสัญญาณรบกวนดีกว่า
- GMR/TMR (Giant/Tunneling Magnetoresistance): ความไวสูงสุดและสัญญาณรบกวนต่ำ รองรับความละเอียดสูงและช่องว่างอากาศเล็ก; TMR มีดริฟต์อุณหภูมิต่ำกว่าแต่ราคาแพงกว่า
- การตรวจจับแบบต่างศักย์ (Differential): ช่องสัญญาณเฟสเดียว/สวนเฟสช่วยหักล้างสนามแม่เหล็กแทรกซ้อนและดริฟต์โหมดร่วม เพิ่มภูมิคุ้มกันการรบกวน
2) การสร้างสัญญาณและการคำนวณมุม
- แม่เหล็กที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก สลับขั้ว N/S ตามแนววงกลมหรือตามแนวเส้น จะสร้างสนามแม่เหล็กแบบมีคาบ หัวอ่านจะได้สองช่องสัญญาณ sin/cos ใกล้เคียงอุดมคติ; การคำนวณมุมทำได้ เช่น
theta = atan2(V_sin, V_cos) - ใช้ การแทรกค่าแบบดิจิทัล หรือ PLL (Phase-Locked Loop) เพื่อแบ่งย่อยมุม/ระยะทาง; แบบ สัมบูรณ์ ให้รหัสตำแหน่งเฉพาะด้วยการเข้ารหัส 1 รอบ/หลายรอบ, การนับซ้ำซ้อน หรือเฟรมโปรโตคอล
3) สัมพันธ์ความเร็ว–ความถี่ (สูตรข้อความล้วน)
- แบบหมุน:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - แบบเชิงเส้น:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
โดยที่ RPM คือความเร็วรอบ, pole_pairs คือจำนวนคู่ขั้ว, edges_per_cycle คือจำนวนฟรอนต์สัญญาณที่นับได้ในหนึ่งคาบไฟฟ้า; v คือความเร็วเชิงเส้น และ p คือ ระยะขั้ว (pole pitch) ของเทปแม่เหล็ก
การจำแนกประเภท (Classification)
- ตามลักษณะการเคลื่อนที่: ตัวเข้ารหัส แบบหมุน (แหวน/แม่เหล็กแบบรัศมี/แกน, ติดตั้งร่วมแกน (on-axis)/นอกแกน (off-axis)) / ตัวเข้ารหัส แบบเชิงเส้น (เทป/สเกลแม่เหล็กหลายขั้ว)
- ตามเอาต์พุต: แบบเพิ่มพูน (A/B/Z; TTL/HTL/RS422; sin/cos 1 Vpp, 11 µApp) / แบบสัมบูรณ์ (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat; และต่อเกตเวย์ไป CANopen/EtherCAT ฯลฯ)
- ตามแม่เหล็ก: แหวนหลายขั้ว (ติดตั้งกับเส้นผ่านศูนย์กลางด้านใน/ด้านนอก ระยะขั้วคงที่), แม่เหล็กที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กแบบรัศมี/แกน (คู่ขั้วน้อย ขนาดกะทัดรัด), เทปแม่เหล็กแบบยืดหยุ่น (ระยะทางยาว ติดตั้งง่าย)
- ตามชิปเซ็นเซอร์: ชิปวัดมุมแบบเดี่ยว (บูรณาการ AFE + CORDIC/SIN/COS) / แบบแยกส่วน (AFE + ADC + MCU/FPGA สำหรับแทรกค่าและเข้ารหัส)
เอาต์พุตและอินเทอร์เฟซ (Outputs & Interfaces)
| ประเภท | รูปแบบสัญญาณ | การใช้งานทั่วไป |
|---|---|---|
| สี่เหลี่ยมเพิ่มพูน | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | เคาน์เตอร์ความเร็วสูงของ PLC, วงรอบความเร็ว/ตำแหน่ง |
| ไซน์/โคไซน์ | 1 Vpp, 11 µApp | การแทรกค่าความละเอียดสูง, งานที่ต้องการ SDE ต่ำ |
| อนุกรมแบบสัมบูรณ์ | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | ตำแหน่งสัมบูรณ์, การนับหลายรอบ, การวินิจฉัย |
| บัส/อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม | CANopen, EtherCAT, PROFINET (ผ่านโมดูลอินเทอร์เฟซ) | ซิงโครไนซ์หลายแกน, ระยะไกล, การวินิจฉัยออนไลน์ |
ค่าพารามิเตอร์สำคัญ (Key Specifications)
| ตัวชี้วัด | ช่วงทั่วไป / คำอธิบาย |
|---|---|
| ความละเอียด (Resolution) | แบบหมุน: 12–18 บิต (Hall/AMR), 18–20+ บิต (GMR/TMR ร่วมกับการแทรกค่า); แบบเชิงเส้น: ระยะสเกล 5–50 µm, แทรกค่าได้ถึง 1–5 µm; เกรดดีมากได้ถึงระดับ ต่ำกว่าไมครอน |
| ความแม่นยำเชิงมุม | แบบสัมบูรณ์ชนิดหมุน: ±0.05° ~ ±0.5° (ขึ้นกับแม่เหล็กและความเยื้องศูนย์) |
| การทำซ้ำ/Jitter | การทำซ้ำดีกว่า ±0.05°; Jitter ขึ้นกับ SNR และนาฬิกาแทรกค่า |
| ข้อผิดพลาดการแบ่งย่อย (SDE) | โดยทั่วไปดีกว่า ±0.1° (เกรดสูง ≤ ±0.03°); ชนิดเชิงเส้นระบุเป็น µm |
| ช่องว่างอากาศแม่เหล็ก | 0.5–2.5 mm (ขึ้นกับพลังงานแม่เหล็กและแผงเซ็นเซอร์) |
| ระยะขั้ว/จำนวนคู่ขั้ว | แหวน: พบ 2–64 คู่ขั้ว; เทป: ระยะขั้ว 2–5 mm พบได้บ่อย |
| ความเร็วสูงสุด | แบบหมุน > 10,000 RPM; แบบเชิงเส้น > 3 m/s (ขึ้นกับอินเทอร์เฟซ) |
| ช่วงอุณหภูมิ | −40 °C ~ +125/150 °C (เกรดยานยนต์) ต้องมีการชดเชยอุณหภูมิ |
| การป้องกันสิ่งปนเปื้อน | IP50–IP67; ทนละอองน้ำมัน ฝุ่น และน้ำยาหล่อเย็น |
| EMC/ESD | ตรงตามข้อกำหนดอุตสาหกรรม/ยานยนต์; การออกแบบแบบต่างศักย์และการชิลด์มีความสำคัญ |
หมายเหตุ: สมรรถนะจริงขึ้นกับวัสดุและคุณภาพการทำให้เป็นแม่เหล็กของแม่เหล็ก, ความเยื้องศูนย์/มุมเอียง, ช่องว่างอากาศ, การชิลด์ และอัลกอริทึมชดเชยร่วมกัน
แม่เหล็กและงานกล (Magnet & Mechanics)
- การเลือกวัสดุแม่เหล็ก: NdFeB (นีโอไดเมียม–เหล็ก–โบรอน, พลังงานแม่เหล็กสูง แต่เสี่ยงคลายแม่เหล็ก ต้องควบคุมอุณหภูมิ), SmCo (ซาแมเรียม–โคบอลต์, เสถียรภาพอุณหภูมิสูง ราคาสูง), เฟอร์ไรต์ (ราคาต่ำ ปริมาตรมาก)
- รูปแบบการทำให้เป็นแม่เหล็ก: แบบรัศมี/แกน หรือแบบหลายขั้วบนแหวน; ความสม่ำเสมอของระยะขั้ว ส่งผลต่อความเป็นเชิงเส้นและฮาร์มอนิกโดยตรง
- ความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิต: ความเยื้องศูนย์ (runout) ทำให้เกิดความผิดพลาดเชิงมุมฮาร์มอนิกอันดับ 1/2; มุมเอียง/การกระดก (wobble) ก่อให้เกิดความไม่สมดุลเชิงแอมพลิจูด/เฟสและความเพี้ยน
- ค่าพิกัดช่องว่างอากาศ: กว้างเกินไป → แอมพลิจูดลดและ SNR ต่ำ; แคบเกินไป → เสี่ยงสัมผัสและไม่ลงรอยด้านอุณหภูมิ
- ภูมิคุ้มกันต่อสนามแทรกซ้อน: ใช้โครงสร้างแบบต่างศักย์ การรวมฟลักซ์ หรือ แหวนชิลด์; เลี่ยงฮาร์มอนิกจากฟันสเตเตอร์ของมอเตอร์; ประเมิน stray-field immunity เมื่อจำเป็น
แหล่งข้อผิดพลาดและการชดเชย (Error Sources & Compensation)
- ความไม่สมดุลแอมพลิจูด/เฟส & ความวงรีของวงโคจร: ลด SDE ด้วย AGC (Automatic Gain Control) การบาลานซ์เฟส และการชดเชยความวงรี
- ดริฟต์อุณหภูมิ: สร้างแบบจำลองสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของเซ็นเซอร์และค่าคงเหลือแม่เหล็กตามอุณหภูมิ; ชดเชยแบบออนไลน์ด้วยการวัดอุณหภูมิ
- ความเยื้องศูนย์/ข้อผิดพลาดระยะขั้ว: Linearization ด้วย LUT ตั้งแต่โรงงาน หรือ การสอบเทียบในระบบ (in-situ) (ฟิตหลายจุด/ชดเชยฮาร์มอนิก)
- สนามแทรกซ้อน/EMI: เดินสายแบบต่างศักย์ การส่งสัญญาณ RS422, การชิลด์ และ การต่อลงกราวด์แบบจุดเดียว; เพิ่มชิลด์เหล็กอ่อนเมื่อจำเป็น
- การนับหลายรอบ (Multi-turn): การคงค่าเมื่อไฟดับด้วย Energy harvesting/เฟือง/FRAM/NVRAM พร้อมการตรวจความสอดคล้องแบบซ้ำซ้อน
เปรียบเทียบกับเทคโนโลยีอื่น (Comparisons)
| เทคโนโลยี | ความละเอียด/ความแม่นยำ | ความทนสภาพแวดล้อม | ต้นทุน | การใช้งานทั่วไป |
|---|---|---|---|---|
| ตัวเข้ารหัสแบบแม่เหล็ก | ★★★☆ (สูงสุดถึง 18–20+ บิต) | ★★★★★ | ★★☆ | อุตสาหกรรม/ยานยนต์ สภาพแวดล้อมสมบุกสมบัน อายุยืน |
| ตัวเข้ารหัสแบบออปติคัล | ★★★★★ (ระดับ nm/arcsec) | ★★☆ | ★★★★ | เครื่องจักรความแม่นยำ เมโทรโลยี แพลตฟอร์มเซมิคอนดักเตอร์ |
| ตัวเข้ารหัสแบบเหนี่ยวนำ | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | อุณหภูมิสูง/EMI รุนแรง เครื่องจักรงานหนัก |
| รีโซลเวอร์ (Resolver) | ★★☆ (ถอดรหัสแบบแอนะล็อก) | ★★★★★ | ★★★ | การสั่นสะเทือน/อุณหภูมิสูง ป้อนกลับมอเตอร์ |
| โพเทนชิโอมิเตอร์ | ★ | ★★ | ★ | ต้นทุนต่ำ อายุสั้น/ความแม่นยำจำกัด |
การประยุกต์ใช้งาน (Applications)
- อัตโนมัติอุตสาหกรรม: สายพานและกลไกบรรทุกหนัก ระบบผสมเซอร์โว/สเต็ปเปอร์ ลิฟต์และเครื่องจักรท่าเรือ
- ยานยนต์/คมนาคม: การสับเปลี่ยนและตำแหน่งมอเตอร์ พวงมาลัยและแป้นเหยียบ ตำแหน่งแชสซีและเบาะ (สภาพแวดล้อม ISO 26262)
- หุ่นยนต์และโคบอท: มุมข้อต่อ เอนโค้ดเดอร์ล้อสำหรับ AGV/AMR แพลตฟอร์มเคลื่อนที่กลางแจ้ง
- พลังงานหมุนเวียนและอุปกรณ์กลางแจ้ง: การติดตามดวงอาทิตย์/ลม วาล์วและแอคชูเอเตอร์ เครื่องจักรเหมืองและก่อสร้าง
ประเด็นการติดตั้งและบูรณาการ (Installation & Integration)
- การศูนย์และความร่วมแกน: แบบหมุนควรใช้บ่ารองตำแหน่ง/ฟิกซ์เจอร์ ควบคุมความเยื้องศูนย์เชิงรัศมีและเชิงหน้า; แบบเชิงเส้นต้องรักษา ความตรงของเทป และความมั่นคงของตัวรองรับ
- การกำหนดช่องว่างอากาศ: อ้างอิงตามดาต้าชีทพร้อมเผื่อระยะทั่วช่วงอุณหภูมิ; ตรวจสอบส่วนเผื่อแอมพลิจูดที่ SNR ต่ำสุด และที่ ความเร็วสูงสุด
- การเดินสายและการเทอร์มิเนต: ให้ความสำคัญกับ RS422 แบบต่างศักย์ หรือแบบ กระแส; แมตช์อิมพีแดนซ์, การชิลด์ และ กราวด์จุดเดียว เพื่อหลีกเลี่ยงลูป
- พารามิเตอร์โปรโตคอล: ความยาวเฟรม, CRC, ไทมิ่ง และบิตแจ้งเตือนใน SSI/BiSS/SPI/EnDat ต้องตรงกับคอนโทรลเลอร์
- ความปลอดภัยและความซ้ำซ้อน: แกนวิกฤตควรใช้สองช่องสัญญาณ/สองเซ็นเซอร์พร้อมมอนิเตอร์ความสอดคล้อง (SIL/PL หรือ ASIL)
มาตรฐานและการปฏิบัติตาม (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (ดัชนี IP) / IEC 60068-2 (การสั่นสะเทือน/กระแทก/อุณหภูมิสูง–ต่ำ/ความชื้น)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (ภูมิคุ้มกัน/การแผ่รังสี EMC อุตสาหกรรม), ISO 7637 (ทรานเซียนต์ในยานยนต์)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (ความปลอดภัยเชิงหน้าที่สำหรับเครื่องจักร/ไดรฟ์/ยานยนต์)
- AEC-Q100/Q200 (ความเชื่อถือได้ระดับยานยนต์สำหรับชิ้นส่วนเซ็นเซอร์/พาสซีฟ)
รายการข้อกำหนดที่ต้องสอดคล้องจริงให้ปรับตามอุตสาหกรรมและข้อกำหนดโครงการ
คู่มือการเลือก (Selection Guide)
- เป้าหมายความแม่นยำ: ความแม่น/เชิงเส้นเชิงมุม ความละเอียด SDE และ Jitter
- เทคโนโลยีเซ็นเซอร์: Hall (เน้นต้นทุน) / AMR / GMR / TMR (เน้นความละเอียดและเสถียรภาพอุณหภูมิ)
- โซลูชันแม่เหล็ก: แหวน/เทป/แม่เหล็กเดี่ยว; ระยะขั้วและขนาด วัสดุและเกรดอุณหภูมิ
- อินเทอร์เฟซเอาต์พุต: เพิ่มพูน/ไซน์–โคไซน์ หรือ SSI/BiSS/SPI/EnDat; ต้องการเกตเวย์บัสและการวินิจฉัยออนไลน์หรือไม่
- สภาพแวดล้อมและอายุการใช้งาน: ระดับ IP, น้ำมัน/ฝุ่น/ของเหลวหล่อเย็น, ภูมิคุ้มกันต่อสนามแทรกซ้อน; งานยานยนต์/กลางแจ้งพิจารณาความทนทานระดับยานยนต์
- งานกลและช่องว่างอากาศ: ค่าคลาดศูนย์ที่ยอมรับได้ หน้าต่างช่องว่างอากาศ ขีดจำกัดความเร็ว; ฟิกซ์เจอร์ติดตั้งและความคงเส้นคงวาในการผลิต
- การชดเชยและการสอบเทียบ: รองรับการชดเชยอุณหภูมิ/ฮาร์มอนิก/การทำ LUT หรือไม่; กลยุทธ์จากโรงงานหรือ ในระบบ (in-situ)
- ความปลอดภัยและความซ้ำซ้อน: ระดับความปลอดภัยเชิงหน้าที่ Fail-safe และอินเทอร์เฟซมอนิเตอร์ความขัดข้อง
ศัพท์และคำย่อ (Glossary)
- ระยะขั้ว/จำนวนคู่ขั้ว (pole pitch/pairs): ความยาวเชิงพื้นที่ของหนึ่งคาบ N–S / จำนวนคู่ขั้ว
- SDE (Sub-Division Error): ข้อผิดพลาดการแบ่งย่อย; ความผิดพลาดคาบที่เหลือหลังการแทรกค่า
- Stray-Field Immunity: ความทนทานต่อสนามแม่เหล็กภายนอก/แทรกซ้อน
- CTE: สัมประสิทธิ์การขยายตัวด้วยความร้อน มีผลต่อความพอดีทางความร้อนระหว่างแม่เหล็กกับชิ้นส่วนกล
สรุป: เมื่อเข้าใจหลักการรับรู้แบบแม่เหล็ก การออกแบบแม่เหล็กและงานกล อินเทอร์เฟซ และกลยุทธ์การชดเชย แล้วนำไปจับคู่กับเป้าหมายความแม่นยำและสภาพการใช้งาน ก็จะสามารถสร้างระบบป้อนกลับตำแหน่งที่ เชื่อถือได้ อายุยืน และตรวจวินิจฉัยได้ แม้ในสภาพแวดล้อมที่สมบุกสมบัน