Анализ принципа действия, структуры и эксплуатационных параметров магнитных энкодеров, предназначенных для роботов
2025-08-12
По мере развития робототехники в сторону повышения точности и надежности, магнитные энкодеры, благодаря своим преимуществам бесконтактного измерения, устойчивости к агрессивным средам и длительному сроку службы, постепенно вытесняют традиционные фотоэлектрические энкодеры в качестве основного компонента обратной связи по положению сочленений роботов.
В данном отчете систематически объясняются принципы работы, конструкция механической и электрической структуры, ключевые параметры производительности систем, типичные сценарии применения в робототехнике, технические проблемы и решения, а также будущие тенденции развития магнитных энкодеров. Тщательно проанализировав технические характеристики основных магнитных энкодеров, таких как MT6701, MT6835 и RAMK060, и опираясь на примеры практического применения, такие как сварочные роботы Tesla и малоинвазивные медицинские хирургические манипуляторы, данный отчет предоставляет исчерпывающие технические рекомендации и рекомендации по проектированию для разработки магнитных энкодеров, предназначенных специально для робототехники.
1. Обзор магнитных энкодеров для роботов
Магнитные энкодеры, являясь основным чувствительным элементом в системах управления движением роботов, определяют углы и положения сочленений бесконтактным способом, обеспечивая высокоточные сигналы обратной связи для сервосистем. Они стали незаменимым компонентом современной робототехники. Благодаря стремительному развитию Индустрии 4.0 и интеллектуального производства рынок магнитных энкодеров для робототехники переживает взрывной рост.
Ожидается, что к 2026 году объём мирового рынка превысит 1,8 млрд долларов США, при этом доля китайского рынка превысит 35%. По сравнению с традиционными фотоэлектрическими энкодерами, магнитные энкодеры обладают значительными преимуществами в робототехнике, включая большую адаптивность к окружающей среде, более длительный срок службы и повышенную экономическую эффективность.
основных принципов работы , роботизированные магнитные энкодеры в основном используют эффект Холла или магниторезистивный эффект, обеспечивая измерение угла путём регистрации изменений магнитного поля, создаваемого вращением постоянного магнита. Типичная система состоит из многополюсного магнитного кольца и массива магнитных датчиков. Бесконтактная конструкция принципиально исключает проблемы со сроком службы, связанные с механическим износом. В зависимости от типа выходного сигнала их можно разделить на инкрементальные и абсолютные. Абсолютные магнитные энкодеры чаще используются в системах управления роботизированными сочленениями благодаря функции памяти при отключении питания.
Его прикладная ценность в области робототехники определяется, прежде всего, тремя аспектами: во-первых, компактная конструкция (например, миниатюрные изделия диаметром 8 мм) соответствует строгим ограничениям пространства, характерным для коллаборативных роботов; во-вторых, высокая ударопрочность (до 50 G) отвечает требованиям к высокочастотным старт-стопам промышленных роботов; и, наконец, степень защиты IP67/IP69K обеспечивает стабильную работу в суровых условиях, таких как наличие масла, пыли и других загрязняющих веществ. Например, семиосевой коллаборативный манипулятор Siasun Robotics использует магнитный энкодер MT6701, обеспечивающий повторяемую точность позиционирования ±0,02 мм, а двуногий гуманоидный робот PAL Robotics использует магнитный энкодер AksIM для динамического управления балансом при ходьбе.
прошли путь от простого определения положения до интеллектуальной интеграции. Ранние модели, такие как AS5035, обеспечивали только 8-битные (64 PPR) инкрементальные сигналы. Современные высокопроизводительные модели, такие как MT6835, теперь предлагают 17-битные (131 072 шага/об) абсолютные выходные данные и алгоритмы динамической компенсации. В последнее время наблюдается тенденция к развитию интеллектуальных технологий, таких как прогнозирование неисправностей на базе искусственного интеллекта и беспроводная передача данных. Эта эволюция отражает растущий спрос на сенсорные технологии в робототехнике и указывает путь для разработки будущих продуктов.
Сравнение производительности магнитных энкодеров для роботов и традиционных энкодеров
| Показатели эффективности | Магнитный энкодер | Фотоэлектрический энкодер | Решатель |
| Срок службы | >100 миллионов циклов | 50 миллионов раз | 30 миллионов раз |
| ударопрочность | 50G | 10G | 30G |
| Потребляемая мощность | 0,8 Вт | 1,5 Вт | 3W |
| Рабочая температура | -40℃~125℃ | -10℃~70℃ | -40℃~150℃ |
| Уровень защиты | IP67/IP69K | IP54 | IP65 |
Ⅱ. Принцип работы и обработка сигнала магнитного энкодера
В основе технологии магнитных энкодеров лежит точный механизм преобразования механического углового смещения в электрические сигналы. Этот процесс включает в себя сложные методы измерения магнитного поля и обработки сигналов. Глубокое понимание этих принципов критически важно для разработки высокопроизводительных магнитных энкодеров для робототехники.
1. Принцип измерения магнитного поля
Магнитные энкодеры, предназначенные для робототехники, в первую очередь используют эффект Холла и магниторезистивный эффект для измерения магнитных полей. Датчики Холла измеряют разность потенциалов, возникающую при отклонении носителей заряда в магнитном поле,в то время как магниторезистивные датчики (включая AMR, GMR и TMR) используют изменение сопротивления материала в зависимости от направления магнитного поля. Магнитный энкодер AS5600 использует передовую магниторезистивную технологию . Его ядро представляет собой чувствительный элемент,
изготовленный из многослойных тонкопленочных материалов. При изменении внешнего магнитного поля траектория движения электронов внутри материала изменяется, что приводит к измеряемому изменению сопротивления. Такая конструкция обеспечивает бесконтактное измерение, предотвращает механический износ и обеспечивает стабильный выходной сигнал.
На практике магнитные энкодеры обычно представляют собой многополюсный кольцевой магнит (32–1024 полюса) с массивом магнитных датчиков. При вращении магнита чередующиеся магнитные полюса создают периодически изменяющееся магнитное поле на датчике. Измеряя это изменение поля, можно определить угловое положение ротора. Магнитный энкодер MT6701 использует массив датчиков Холла и специальную микросхему обработки сигналов для измерения углов, регистрируя изменения магнитного поля постоянного магнита. Он поддерживает 14-битный вывод абсолютного положения (16384 CPR) и угловую погрешность менее ±0,5°.
2. Генерация сигнала и расчет угла
Магнитные энкодеры генерируют сигналы на основе квадратурного синусоидально-косинусного (Vsin/Vcos) напряжения, вычисляя значения угла с помощью функции арктангенса θ = arctan(Vsin/Vcos). Для повышения разрешения современные магнитные энкодеры используют передовые алгоритмы интерполяции для цифрового разделения исходного аналогового сигнала, достигая разрешения по одному обороту до 0,002° (эквивалентно 18-битному абсолютному энкодеру). Энкодер MT6835 использует инновационный «алгоритм динамической компенсации» для коррекции гармонических ошибок, вызванных эксцентричным креплением, в режиме реального времени, что повышает точность определения положения до ±0,1° (механический угол), что более чем в три раза превышает аналогичные продукты.
Для определения абсолютного положения высококлассные магнитные энкодеры используют многодорожечную конструкцию. Абсолютный магнитный энкодер с большим центральным отверстием, разработанный Харбинским политехническим институтом, использует двухдорожечную структуру с основной дорожкой и нониусной дорожкой, получая абсолютные значения угла на основе нониусных принципов расчета. Такая конструкция значительно повышает точность измерений за счет перекрестной проверки двух дорожек с немного различающимися
периодами. После оптимизации и компенсации с помощью генетического алгоритма абсолютная точность позиционирования может достигать 0,036°.
3. Поток цифровой обработки сигналов
Блок обработки сигнала магнитного энкодера отвечает за преобразование необработанного сигнала магнитного поля в высокоточный цифровой выходной сигнал положения. Процесс обработки обычно включает следующие основные этапы:
• Сбор сигнала : аналоговые сигналы с магниточувствительных элементов передаются в блок обработки сигналов. Эти сигналы отражают изменения напряжённости магнитного поля и напрямую связаны с положением магнита.
• Аналого-цифровое преобразование (АЦП) : высокоточный АЦП преобразует аналоговые сигналы в цифровые. Производительность этого процесса напрямую влияет на разрешение и точность энкодера. Энкодер MT6835 оснащён встроенным 17-битным АЦП, обеспечивающим высокое разрешение выходного сигнала – 131 072 шага на оборот.
• Цифровая обработка сигналов (ЦОС) : для устранения влияния гармоник двигателя используются адаптивная фильтрация, БПФ-анализ и другие алгоритмы. Например, ЦОС AS5600 динамически корректирует параметры режекторного фильтра, определяя частоту переключения ШИМ-драйвера (например, 16 кГц). ЦОС AS5600 также отфильтровывает шумы и компенсирует температурные колебания и нелинейность, обеспечивая чистый и точный выходной сигнал.
• Расчёт и вывод положения : вычисляет текущее значение положения на основе предустановленного алгоритма и преобразует его в цифровой формат вывода, такой как ШИМ, I2C, SPI или SSI. Энкодер AksIM от RLS использует этот процесс для обеспечения точной обратной связи по углу поворота сочленений для двуногих роботов PAL Robotics.
Сравнение производительности обработки сигналов основных магнитных энкодеров роботов
| модель | Разрешение | Точность | Выходной интерфейс | Технология обработки |
| МТ6701 | 14 цифр (16384 CPR) | ±0,5° | СПИ/АБЗ | Массив Холла + компенсация смещения |
| МТ6835 | 17 (131 072 сердечно-легочных реанимационных мероприятий) | ±0,1° | EtherCAT | Алгоритм компенсации движения |
| РАМК060 | 19 человек (524 288 реанимационных мероприятий) | 13-битный абсолютный | SPI/SSI/Biss-C | Избыточная самокалибровка |
| AS5600 | 12 бит (4096 CPR) | ±0,3° | I2C/ШИМ | Магниторезистивная технология + температурная компенсация |
4. Температурная компенсация и исправление ошибок
Изменения температуры существенно влияют на характеристики магнитных энкодеров, главным образом из-за температурного коэффициента остаточной намагниченности магнита (-0,1%/°C) и дрейфа чувствительности датчика. Для этого в высококлассных магнитных энкодерах используются различные технологии компенсации:
● Автономная предварительная калибровка : компенсация угловой погрешности выполняется во всем диапазоне температур (от -40°C до 125°C) на поворотном столе с регулируемой температурой. Формируется таблица коррекции из 512 точек, которая сохраняется во встроенной флэш-памяти.
● Онлайн-самообучение : избыточные датчики (например, схема с двумя головками) используются для сравнения разностей фаз сигналов в реальном времени, запуская алгоритм автоматической компенсации, когда отклонение превышает 0,1°.
● Компенсация датчика TMR : Туннельные магниторезистивные датчики (TMR) имеют положительный температурный коэффициент, составляющий приблизительно 0,1%/°C, что позволяет им естественным образом компенсировать отрицательные температурные характеристики магнитов. Эти передовые технологии обработки сигналов позволяют современным магнитным энкодерам поддерживать стабильную работу в широком диапазоне температур от -40°C до 125°C, что соответствует строгим требованиям промышленных роботов.требования к рабочей среде.
Ⅲ. Проектирование механической и электрической конструкции
Эффективность магнитного энкодера, предназначенного для робототехники, во многом зависит от его механической и электрической конструкции. Грамотно спроектированная конструкция не только улучшает характеристики датчика, но и повышает его надежность в суровых промышленных условиях. В этом разделе подробно описываются механическая конструкция, электрическая система и адаптивность магнитного энкодера к различным условиям окружающей среды.
1. Механическая структура
Механическая структура роботизированных магнитных энкодеров обычно имеет модульную конструкцию , состоящую в основном из ротора (магнитного кодового диска) и статора (модуля датчика). Энкодер Vishay RAMK060 использует инновационную конструкцию «ротор + статор» с внеосевой конструкцией (для сборки с полым валом). Общая высота всего 6,5 мм и вес менее 55 г делают его идеальным решением для применения в роботизированных сочленениях с ограниченным пространством. Компактная конструкция позволяет легко интегрировать RAMK060 в редуктор колебаний коллаборативного робота, обеспечивая повторяемость ±0,01°.
Конструкция магнитного кодового диска является основой механической структуры. Абсолютный магнитный энкодер с большим центральным отверстием, разработанный Харбинским технологическим институтом, использует специальную двухдорожечную структуру основного кода и нониусного кода. Основная кодовая дорожка обеспечивает грубое позиционирование, в то время как нониусная кодовая дорожка обеспечивает точное позиционирование. Абсолютное значение угла рассчитывается с использованием нониусного принципа. Микроэнкодер Tamagawa использует инновационную технологию магниторезистивного датчика. Магнитный кодовый диск изготовлен из высокоточных неодимовых магнитов, а допуск намагничивания контролируется в пределах 0,05 мм для обеспечения однородности магнитного поля. Количество пар полюсов магнитного кольца также имеет решающее значение. Промышленные магнитные энкодеры обычно используют 32-1024 полюсных кольца. Чем больше количество пар полюсов, тем выше теоретическое разрешение.
Конструкция крепления напрямую влияет на точность измерений энкодера. Исследования показали, что магнитные энкодеры чувствительны к допускам при монтаже: радиальные отклонения, превышающие 0,5 мм, приводят к увеличению гармонических искажений до 3%. Для решения этой проблемы компания Han's Laser разработала вал двигателя со встроенной самоцентрирующейся конструкцией, ограничивающей погрешность сборки до ±0,1 мм. Энкодер AksIM компании RLS использует бесконтактную конструкцию крепления, допускающую осевое отклонение ±0,5 мм и радиальное отклонение ±1,0 мм, что значительно снижает требования к точности сборки сочленений робота.
2. Архитектура электрической системы
Электрическая система магнитного энкодера, предназначенного для робототехники, состоит из трёх основных компонентов: чувствительного элемента , схемы преобразования сигнала и интерфейса связи . Электрическая архитектура магнитного энкодера MT6701 включает в себя матрицу датчиков Холла и специализированную микросхему обработки сигналов. Он выводит сигналы положения через интерфейс SPI или ABZ. Встроенный алгоритм компенсации магнитного смещения исключает ошибки установки и упрощает калибровку.
сенсорной технологии , современные магнитные энкодеры в основном используют три типа магнитных датчиков: датчики Холла, анизотропные магниторезистивные (AMR) и туннельные магниторезистивные (TMR). AS5600 использует магниторезистивную технологию измерения, при этом чувствительный элемент изготовлен из многослойных тонкопленочных материалов, что обеспечивает чрезвычайно высокую чувствительность к изменениям магнитного поля. MT6835, в свою очередь, использует инновационную магниторезистивную технологию измерения со встроенными алгоритмами дифференциальной обработки сигналов и цифровой фильтрации, обеспечивая надежную устойчивость к сильным электромагнитным помехам до ±50 кВ/м и адаптируемость к сложным промышленным условиям.
Схема преобразования сигнала преобразует необработанные сигналы датчика в высокоточные цифровые выходные сигналы. Магнитные энкодеры промышленного класса обычно включают в себя 14-16-битный АЦП и специализированный ЦСП для оцифровки сигнала и компенсации ошибок. Энкодер MT6835 компании Tamagawa использует ПЛИС с «алгоритмом динамической компенсации», который позволяет корректировать гармонические ошибки, вызванные эксцентричным монтажом, в режиме реального времени, значительно повышая точность обнаружения. Для повышения надежности некоторые высококлассные энкодеры, например, используемые в лапароскопических хирургических манипуляторах MicroPort Medical, используют двухканальное резервирование, что обеспечивает время обнаружения ошибок менее 1 мс.
Ⅳ. Интерфейс и протокол связи
Магнитные энкодеры, предназначенные для конкретных роботов, имеют различные выходные интерфейсы , и соответствующий протокол связи необходимо выбирать в зависимости от сценария применения:
● Цифровые интерфейсы включают SPI, SSI, I²C и Biss-C. Энкодер RAMK060 опционально предлагает интерфейсы SPI, SSI или Biss-C, поддерживая 19-битный вывод высокого разрешения. AS5600 оснащён цифровыми выходами I²C и ШИМ, что упрощает интеграцию в различные системы управления.
● Промышленная шина : высокопроизводительные энкодеры поддерживают промышленные протоколы Ethernet реального времени, такие как EtherCAT и Profinet. Энкодер MT6835 обеспечивает межосевую синхронизацию ≤1 мкс по шине EtherCAT с погрешностью синхронизации положения <5 мкрад для 16-осевой связи.
● Инкрементальный выход : некоторые энкодеры, такие как AS5035, вырабатывают квадратурные импульсы A/B и индексный сигнал с 64 импульсами на оборот (разрешение 8 бит), совместимые с традиционными интерфейсами оптических энкодеров.
Распространенные типы интерфейсов и характеристики магнитных энкодеров для роботов
| Тип интерфейса | Разрешение | Скорость передачи данных | Типичные области применения | Преимущества |
| СПИ | Старшие 19 цифр | 10 МГц+ | Суставы промышленных роботов | Высокая скорость, полный дуплекс |
| ССИ | До 25 цифр | 1 МГц | Тяжелая роботизированная рука | Сильная защита от помех и большая дальность связи |
| I2C | 12-14 цифр | 400 кГц-1 МГц | коллаборативные роботы | Просто, несколько штифтов |
| EtherCAT | 17+ | 100 Мбит/с | Многоосное синхронное управление | Высокая производительность в реальном времени и гибкая топология |
| Приращение ABZ | 8-12 цифр | - | Обновление традиционной системы | Хорошая совместимость |
Ⅴ. Проектирование с учетом адаптации к окружающей среде
Рабочая среда роботов сложна и изменчива, поэтому магнитные энкодеры должны обладать превосходной адаптивностью к окружающей среде . Промышленные магнитные энкодеры обычно имеют следующие функции защиты:
● Уровень защиты : основная продукция соответствует стандартам IP67/IP69K и выдерживает очистку паром под высоким давлением и работу в условиях запылённости. Специализированные модели для пищевой и фармацевтической промышленности, такие как Baumer HOG 86, полностью герметичны и имеют сертификат EHEDG, предотвращающий рост микроорганизмов.
● Диапазон температур : рабочие температуры обычно находятся в диапазоне от -40°C до 125°C, а температура хранения достигает от -55°C до 150°C. Изделия с магнитами из самария-кобальта (SmCo) обладают улучшенными высокотемпературными характеристиками: скорость затухания магнитного потока снижается с 5% до 1% при 200°C.
● Устойчивость к электромагнитным помехам : многослойная экранирующая структура печатной платы и корпус из сплава μ-Metal (магнитная проницаемость >80 000) снижают внешние помехи от рассеянного магнитного поля до ±0,02°. Энкодер MT6835 обладает помехоустойчивостью ±50 кВ/м и соответствует стандарту IEC 61800-3.
●Ударопрочность и виброустойчивость : конструкция военного уровня выдерживает удары с ускорением 50G и вибрацию с частотой от 10 до 2000 Гц. Энкодеры, используемые в гуманоидном роботе REEM-C от PAL Robotics, обладают высокой ударопрочностью, обеспечивая стабильную обратную связь при динамичной ходьбе.
Магнитные энкодеры также требуют специализированной конструкции для конкретных условий применения. Например, энкодеры для горнодобывающего и нефтегазового оборудования должны иметь сертификаты ATEX/IECEx для взрывозащищенного применения и должны стабильно работать в средах с концентрацией метана более 1%. Медицинские робототехнические энкодеры, например, используемые в малоинвазивных лапароскопических хирургических манипуляторах, должны соответствовать требованиям биосовместимости и стерилизации.
Ⅵ. Система ключевых параметров эффективности
Оценка производительности магнитных энкодеров, предназначенных для робототехники, требует комплексного набора параметров. Эти параметры напрямую определяют пригодность и надёжность энкодера в составе робототехнической системы. Глубокое понимание этих ключевых показателей имеет решающее значение для выбора продукта, системной интеграции и оптимизации производительности.
• Основные показатели точности
Разрешение и точность являются основными параметрами оценки производительности магнитных энкодеров. Разрешение относится к минимальному изменению угла, которое может распознать энкодер, а точность – к максимальному отклонению измеренного значения от истинного. Высокоскоростной магнитный энкодер MT6835 обеспечивает разрешение 17 бит (131 072 шага/об) и точность измерения угла ±0,1°; абсолютный энкодер RAMK060 имеет разрешение до 19 бит (524 288 шагов/об) и абсолютную точность выше 13 бит. Стоит отметить, что разрешение не равно точности, и энкодеры высокого разрешения по-прежнему требуют калибровки и компенсации для достижения высокой точности. Абсолютный магнитный энкодер с большим центральным отверстием, разработанный Харбинским технологическим институтом, имеет начальную точность 0,2°, которая увеличивается до 0,036° после оптимизации и компенсации с помощью генетического алгоритма, что соответствует строгим требованиям, предъявляемым к сочленениям роботов.
Повторяемость особенно важна для робототехники, поскольку она измеряет постоянство, с которым энкодер достигает одного и того же положения несколько раз. Для промышленных роботов обычно требуется повторяемость в пределах ±0,02 мм. Энкодеры Vishay RAMK обеспечивают повторяемость более 16 бит, что делает их особенно подходящими для жёстких условий, требующих высокой повторяемости. Результаты испытаний показывают, что после внедрения решения MT6701 сварочные роботы на шанхайском заводе Tesla зафиксировали дрейф положения всего 0,003° после 2 миллионов циклов испытаний, что значительно ниже стандарта 0,01° для фотоэлектрических энкодеров.
• Динамические характеристики отклика
Максимальная скорость и скорость динамического отклика определяют, сможет ли энкодер справиться с высокоскоростным движением робота. Магнитный энкодер MT6701 поддерживает максимальную скорость 30 000 об/мин, а MT6835 увеличивает этот показатель до 50 000 об/мин, что отвечает требованиям высокоскоростных сочленений. Что касается динамического отклика, цикл управления сервосистемой на базе MT6835 сокращен до 62,5 мкс, а полоса пропускания контура позиционирования достигает 1 кГц, что позволяет достичь времени позиционирования <3 мс и перерегулирования <1% на скачок. Время задержки критически важно для управления в режиме реального времени. Лапароскопическая хирургическая рука MicroPort Medical использует…
