📘 Enkoder Viki
Manyetik enkoderler
Manyetik enkoderler, çok kutuplu mıknatıs ve manyetik sensörü esas alarak dönme veya doğrusal yer değiştirmeyi elektrik sinyaline dönüştürür. Yağ buharı ve toza dayanıklıdır, titreşim altında çalışır, geniş sıcaklık aralığını destekler ve montaj toleransları yüksektir. Bu nedenle endüstriyel otomasyon, otomotiv ve ağır hizmet ekipmanları, robotik ve dış mekân ekipmanlarında yaygın konum geri bildirim elemanlarıdır.
Manyetik enkoder nedir (What is a Magnetic Encoder)
Manyetik enkoder, manyetik alanın periyodik değişimini kullanarak konum ve hızı ölçen bir sensör sistemidir. Tipik yapı, mıknatıs (çok kutuplu halka/şerit, radyal ya da eksenel mıknatıslanmış mıknatıs) ile okuma kafasından (manyetik algılama entegresi ve sinyal koşullandırma devresi) oluşur. Okuma kafası tanımlı hava aralığında yer değiştirme ile değişen sinüs/kosinüs sinyallerini algılar; analog ön uç (AFE) ve enterpolasyon/dekodlama sonrası artımsal A/B/Z, sinüs/kosinüs 1 Vpp (veya 11 µA_pp akım modu) ya da mutlak konum (SSI/BiSS/SPI/EnDat vb.) çıktıları üretir.
Optik enkoderlere kıyasla, manyetik enkoderler çevre koşullarına daha dayanıklıdır, ömürleri uzundur ve maliyetleri düşüktür; ancak uç çözünürlük, doğrusallık ve alt bölme hatası (SDE, Sub-Division Error) açısından üst seviye optik çözümler genellikle daha iyidir.
Çalışma prensibi (Working Principle)
1) Manyetik algılama teknolojileri
- Hall: düşük maliyet, olgun ve güvenilir; konum/açı doğruluğu orta; sıcaklık sürüklenmesi (drift) için kompanzasyon gerekir.
- AMR (Anizotropik Manyeto-Direnç): Hall’a göre daha yüksek duyarlılık ve daha iyi gürültü bağışıklığı.
- GMR/TMR (Dev/Tünelleme Manyeto-Direnç): en yüksek duyarlılık ve düşük gürültü; daha yüksek çözünürlük ve daha küçük hava aralığına imkân verir; TMR’nin sıcaklık sürüklenmesi daha düşüktür ancak maliyeti daha yüksektir.
- Diferansiyel algılama: eşfaz/karşıfaz kanallar dış saçak (stray) manyetik alanları ve ortak mod sıcaklık etkilerini bastırır, bağışıklığı artırır.
2) Sinyal oluşumu ve açı hesaplama
- Mıknatıs çevresel ya da doğrusal yönde N/S kutuplar halinde periyodik alan oluşturur; okuma kafası yaklaşık sin/cos iki kanalı elde eder. Açı şu şekilde hesaplanır:
theta = atan2(V_sin, V_cos). - Dijital enterpolasyon veya PLL (faz kilitlemeli çevrim) ile açı/yer değiştirme ince bölümlenir; mutlak tipler tek/çok turlu kodlama, yedekli sayma veya protokol çerçeveleri ile benzersiz kod çıkışı verir.
3) Hız–frekans ilişkisi (yalın metin formülleri)
- Dönel:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Doğrusal:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
(Burada RPM devir/dakika, pole_pairs kutup çifti sayısı, edges_per_cycle elektriksel çevrim başına geçerli kenar sayısı; v doğrusal hız, p manyetik şeridin kutup adımıdır.)
Sınıflandırma (Classification)
- Hareket tipine göre: dönel enkoderler (halka/radyal mıknatıs, on-axis/off-axis) / doğrusal enkoderler (çok kutuplu şerit/ızgara).
- Çıkışa göre: artımsal (A/B/Z, TTL/HTL/RS-422; sinüs/kosinüs 1 Vpp, 11 µA_pp) / mutlak (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2; ağ geçidi ile CANopen/EtherCAT vb.).
- Mıknatısa göre: çok kutuplu manyetik halka (iç/dış çap montajı, sabit kutup adımı), radyal/eksenel mıknatıslanmış mıknatıs (az kutup çifti, kompakt), esnek manyetik şerit (uzun strok, kolay montaj).
- Sensör entegresine göre: tek yonga açı sensörü (entegre AFE + CORDIC/SIN/COS) / ayrık AFE + ADC + MCU/FPGA ile enterpolasyon/kodlama.
Çıkışlar ve arayüzler (Outputs & Interfaces)
| Kategori | Sinyal biçimi | Tipik kullanım |
|---|---|---|
| Artımsal kare dalga | A/B (+Z), TTL/HTL/RS-422 | PLC hızlı sayıcı, hız/konum çevrimleri |
| Sinüs/kosinüs | 1 Vpp, 11 µA_pp | Yüksek çözünürlüklü enterpolasyon, düşük SDE |
| Mutlak seri | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Mutlak konum, çok turlu sayım, teşhis |
| Saha veri yolu/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET (arayüz modülleriyle) | Çok eksenli senkronizasyon, uzun mesafe ve çevrimiçi teşhis |
Temel teknik özellikler (Key Specifications)
| Gösterge | Tipik aralık / açıklama |
|---|---|
| Çözünürlük | Dönel: 12–18 bit (Hall/AMR), 18–20+ bit (GMR/TMR + enterpolasyon); Doğrusal: şerit kutup adımı tipik 1–5 mm, enterpolasyonla 1–5 µm, en iyi örneklerde sub-mikron |
| Açı doğruluğu | Dönel mutlak: ±0.05° ~ ±0.5° (mıknatıs ve eksantrikliğe bağlı) |
| Tekrarlanabilirlik/jitter | Tekrarlanabilirlik ±0.05°’ten iyi; jitter SNR ve enterpolasyon saatine bağlı |
| Alt bölme hatası (SDE) | Genelde ≤ ±0.1° (üst düzey ≤ ±0.03°); doğrusal tipte µm cinsinden |
| Hava aralığı | 0.5–2.5 mm (mıknatıs enerjisi ve sensör dizisine bağlı) |
| Kutup adımı/kutup çifti | Halkalarda tipik 2–64 kutup çifti; şeritlerde 2–5 mm kutup adımı yaygın |
| Maks. hız | Mekanik > 10 000 RPM; doğrusal > 3 m/s (arayüze bağlı) |
| Sıcaklık aralığı | −40 °C ~ +125/150 °C (otomotiv sınıfı), sıcaklık kompanzasyonu gerekli |
| Kirlenmeye dayanım/IP | IP50–IP67; yağ sisi, toz ve soğutucu sıvılara dayanım |
| EMC/ESD | Endüstriyel/otomotiv EMC gereksinimleri; diferansiyel hat ve ekranlama kritik |
Not: Gerçek performans; mıknatıs malzemesi ve manyetizasyon kalitesi, eksantriklik/eğiklik, hava aralığı, ekranlama ve algoritmik kompanzasyondan birlikte etkilenir.
Mıknatıs ve mekanik tasarım (Magnet & Mechanics)
- Mıknatıs seçimi: NdFeB (yüksek enerji çarpımı; demanyetizasyona yatkın—sıcaklık kontrolü gerekir), SmCo (yüksek sıcaklıkta kararlı, maliyeti yüksek), ferrit (düşük maliyet, daha büyük hacim).
- Manyetizasyon yöntemi: radyal/eksenel veya çok kutuplu halka; kutup adımı düzgünlüğü doğrusallık ve harmonik hataları doğrudan etkiler.
- Geometrik hatalar: eksantriklik (runout) 1./2. harmonik açı hatası üretir; eğiklik/atım genlik-faz dengesizliği ve distorsiyon doğurur.
- Hava aralığı toleransı: fazla büyük → genlik zayıflar ve SNR düşer; fazla küçük → sürtünme ve sıcaklık uyumsuzluğu riski.
- Yabancı alanlara bağışıklık: diferansiyel yapı, manyetik akı yoğunlaştırıcı veya ekranlama halkası; güçlü motor stator diş harmoniklerinden uzak konumlandırma; gerekirse stray-field immunity değerlendirmesi.
Hata kaynakları ve kompanzasyon (Error Sources & Compensation)
- Genlik/faz dengesizliği & eliptiklik: AGC, faz dengeleme ve elips kompanzasyonu ile SDE azaltılır.
- Sıcaklık sürüklenmesi: sensör sıcaklık katsayıları ve mıknatıs artık manyetizmasının sıcaklığa bağlı modellenmesi; çevrimiçi sıcaklık ölçümü ve düzeltme.
- Eksantriklik/kutup adımı hatası: fabrikada LUT doğrusallaştırma veya sistemde yerinde (in-situ) kalibrasyon (çok noktalı/harmonik kompanzasyon).
- Yabancı alan/EMI: diferansiyel hatlar, RS-422 iletim, ekranlama ve tek noktadan topraklama; gerektiğinde yumuşak demir ekranlar.
- Çok turlu sayım: enerjisiz durumda tutma için enerji hasadı/dişli/FRAM/NVRAM tabanlı çözümler ve yedeklilik tutarlılık kontrolü.
Diğer teknolojilerle karşılaştırma (Comparisons)
| Teknoloji | Çözünürlük/doğruluk | Çevre dayanımı | Maliyet | Tipik uygulama |
|---|---|---|---|---|
| Manyetik enkoder | ★★★☆ (18–20+ bit’e kadar) | ★★★★★ | ★★☆ | Endüstri/otomotiv, zorlu ortam, uzun ömür |
| Optik enkoder | ★★★★★ (nm/yay-saniye düzeyi) | ★★☆ | ★★★★ | Hassas tezgâhlar, metroloji, yarı iletken platformları |
| Endüktif enkoder | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Yüksek sıcaklık/şiddetli EMI, ağır mekanikler |
| Rezolver | ★★☆ (analog demodülasyon) | ★★★★★ | ★★★ | Yüksek titreşim/sıcaklıkta motor geri beslemesi |
| Potansiyometre | ★ | ★★ | ★ | Düşük maliyet, kısa ömür/düşük doğruluk |
Uygulamalar (Applications)
- Endüstriyel otomasyon: konveyör ve ağır kaldırma sistemleri, servo/hibrit adım çözümleri, asansör ve liman ekipmanları.
- Otomotiv/taşıt: motor komütasyon ve konum, direksiyon ve pedallar, şasi ve koltuk konumu (ISO 26262 bağlamı).
- Robotik ve kolaboratif kollar: eklem açıları, AGV/AMR tekerlek enkoderleri, dış mekân mobil platformları.
- Yenilenebilir enerji ve dış mekân: güneş/rüzgâr izleme, vanalar ve aktüratörler, madencilik ve inşaat makineleri.
Montaj ve entegrasyon ipuçları (Installation & Integration)
- Merkezleme/**eşmerkezlilik: dönel tipte referans omuz/fixtür kullanın; radyal ve yüzeysel atımı** kontrol edin; doğrusal tipte şeridin doğruluğunu ve taşıyıcının stabilitesini sağlayın.
- Hava aralığı ayarı: veri sayfasına göre tüm sıcaklık aralığında pay bırakın; asgari SNR ve azami hızda genlik rezervini doğrulayın.
- Kablolama ve sonlandırma: tercihen diferansiyel RS-422 veya akım modu; empedans eşleştirme, ekranlama ve tek nokta topraklama ile halka akımlarından kaçının.
- Protokol parametreleri: SSI/BiSS/SPI/EnDat için çerçeve uzunluğu, CRC, zamanlama ve alarm bitleri kontrolörle uyumlu olmalı.
- Yedeklilik ve güvenlik: kritik millerde çift kanal/çift sensör ve tutarlılık izleme (SIL/PL veya ASIL tasarımı).
Standartlar ve uygunluk (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (IP koruma) / IEC 60068-2 (titreşim/darbe/sıcaklık/nem)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (endüstriyel EMC bağışıklık/yayılım), ISO 7637 (araç transiyentleri)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (makine/sürücü/otomotiv işlevsel güvenliği)
- AEC-Q100/Q200 (otomotiv sınıfı bileşen güvenilirliği; sensör IC’leri/pasifler için)
Gerçek uygunluk kapsamı sektör ve proje gereksinimlerine göre belirlenmelidir.
Seçim rehberi (Selection Guide)
- Hedef doğruluk: açı doğruluğu/doğrusallık, çözünürlük, SDE ve jitter hedefleri.
- Algılama teknolojisi: Hall (maliyet öncelikli) / AMR / GMR / TMR (çözünürlük ve sıcaklık kararlılığı öncelikli).
- Mıknatıs çözümü: çok kutuplu halka/şerit/tek mıknatıs; kutup adımı ve boyutlar, malzeme ve sıcaklık sınıfı.
- Çıkış arayüzü: artımsal/sin-cos veya SSI/BiSS/SPI/EnDat; saha veri yoluna ağ geçidi ve çevrimiçi teşhis gereksinimi.
- Ortam ve ömür: IP sınıfı, sıcaklık/yağ sisi/toz, yabancı alan bağışıklığı; otomotiv/dış mekânda otomotiv sınıfı ve dayanım.
- Mekanik ve hava aralığı: izin verilen merkez kaçıklık, hava aralığı penceresi, hız sınırı; montaj fikstürü ve seri tutarlılık.
- Kompanzasyon ve kalibrasyon: sıcaklık/harmonik/doğrusallaştırma için LUT desteği; fabrika veya sahada kalibrasyon stratejisi.
- Güvenlik ve yedeklilik: hedef SIL/PL/ASIL, fail-safe ve arıza izleme arayüzleri.
Terimler sözlüğü (Glossary)
- Kutup adımı/kutup çifti (pole pitch/pairs): manyetik alanın bir N-S periyodunun uzamsal uzunluğu / çift sayısı.
- SDE (Sub-Division Error): alt bölme hatası; enterpolasyon sonrası kalan periyodik hata.
- Stray-field Immunity: dış/yabancı manyetik alanlara bağışıklık.
- CTE: ısı genleşme katsayısı; mıknatıs ile mekanik parçalar arasındaki termal uyumu etkiler.
Özet: Manyetik enkoderlerin algılama prensiplerine, mıknatıs ve mekanik tasarımına, arayüz ve kompanzasyon stratejilerine hâkim olarak ve hedef doğruluk ile çalışma koşullarını doğru eşleştirerek zorlu ortamlarda yüksek güvenilirlik, uzun ömür ve teşhis edilebilir hareket kontrolü ve konum geri bildirimi sağlanabilir.