Разделы

В сети

Пользователей: 62
Из них просматривают:
Аналоги: 24. Даташиты: 5. Инструкции: 2. Карта сайта: 3. Новости: 12. Остальное: 3. Программы: 2. Производители: 1. Форум: 9. Чат: 1.
Участников: 3
Гостей: 59

Google , wolf170571 , Яндекс , далее...
Рекорд 2375 человек онлайн установлен 26.12.2015.

Партнёры


Партнёры

Новые объявления

Радиолюбительская технология

Интеллектуальные энкодеры с выходными коммутирующими сигналами

Написал MACTEP в 04.06.2016 15:10:00 (2956 прочтений)
В этой статье рассматриваются современные энкодеры с выходными коммутирующими сигналами, которые востребованы практически во всех приложениях по управлению приводом. Необходимость в использовании этих устройств растет за счет более широкого распространения бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC), обеспечивающих преимущества в управлении, точности и эффективности.



Новый подход - новые возможности.

Пользователи энкодеров никогда особенно не жаждали перемен - и не без веских причин. Промышленное предприятие с системами управления приводом - не место для тех инновационных решений, которые, с одной стороны, призваны обеспечить высокую надежность и качество, а с другой, не подкреплены достаточно продолжительным опытом применения, чего не скажешь, например, о емкостных энкодерах. Их работа основана на принципах, хорошо проверенных за долгие годы эксплуатации. Использование емкостных датчиков в цифровых системах вместо оптических или магнитных энкодеров имеет ряд преимуществ, в т. ч. обеспечивает реализацию интеллектуальных функций при разработке энкодеров с выходными коммутирующими сигналами.

Энкодеры с выходными коммутирующими сигналами определяют скорость вращения, направление и ускорение вала двигателя
Рис. 1. Энкодеры с выходными коммутирующими сигналами определяют скорость вращения, направление и ускорение вала двигателя

Задача энкодера заключается в определении положения вала электродвигателя для контроллера системы (см. рис. 1). С помощью этих данных контроллер переключает обмотки двигателя, а также определяет его скорость вращения, направление и ускорение, которые используются для поддержания заданных параметров двигателя.

Принцип работы энкодеров основан на разных методах, которые позволяют получить на выходе системы цифровые квадратурные сигналы А и В, а также выходной индексный сигнал для определения направления вращения (см. рис. 2а). С выхода энкодера также поступают сигналы U, V и W для коммутации фаз (см. рис. 2б).

стандартные квадратурные сигналы А и В, а также индексный сигнал на выходе оптического энкодера
Рис. 2. а) стандартные квадратурные сигналы А и В, а также индексный сигнал на выходе оптического энкодера; 6) сигналы U, V и W на выходе энкодера

Энкодерные технологии

Стандартные энкодеры, как правило, выдают 48-2048 импульсов на оборот (имп/об), тогда как в большинстве приложений востребованы значения 800-1024 имп/об. Следует понимать, что использование энкодеров с более высокой точностью удорожает и усложняет стоимость решения, а также накладывает дополнительное бремя вычислений на системный контроллер или цифровой процессор. Избыточная точность приводит к повышению шума в системе, вибрациям и джиттеру.

Хотя в некоторых системах энкодеры не используются, в действительности эти устройства являются необходимым звеном в подавляющем большинстве контуров управления и обратной связи.

Бездатчиковые приложения

Наряду с использованием бесщеточных двигателей постоянного тока применяются бездатчиковые схемы, не требующие энкодеров для определения положения вала. Электродвигатели в этом случае управляются с помощью разных алгоритмов, в т. ч. векторным методом (field-oriented control, FOC).

Несмотря на то, что исключение энкодера из системы, несомненно, является достаточно привлекательной возможностью, у векторного управления имеется несколько недостатков: оно не обеспечивает той же точности, что датчиковый метод; при управлении пропускаются отдельные позиции, и требуется сброс; управление осложняется при некоторых значениях крутящих моментов; системному процессору необходимы значительные вычислительные ресурсы. В результате векторное управление используется в приложениях, которые не требуют высокой точности, непрерывного отслеживания положения вала и значений скорости. К таким приложениям относятся, например, бытовая техника и приборы - стиральные и сушильные машины. В то же время для большинства промышленных систем стоимость энкодеров не столь критична по сравнению с жесткими требованиями к рабочим характеристикам.

Оптический энкодер работает, считывая информацию о поворотах вала с помощью света, который проходит сквозь окошки в диске
Рис. 3. Оптический энкодер работает, считывая информацию о поворотах вала с помощью света, который проходит сквозь окошки в диске

К настоящему времени широкое применение получили оптические, магнитные и емкостные энкодеры. В оптическом методе используется диск с прорезями, где напротив друг друга установлены светодио-ды и фототранзисторы (см. рис. 3). При вращении этого диска световой поток периодически прерывается, а по поступающим импульсам определяется скорость и направление вращения вала. Несмотря на низкую стоимость и эффективность оптического энкодера, его надежность зависит от воздействия пыли, грязи или масла, попавших в световой тракт. К тому же, как известно, светодиоды со временем выгорают - их яркость, как правило, уменьшается в два раза за несколько лет эксплуатации.

По своей конструкции магнитный энкодер похож на оптический датчик, но в нем задействовано магнитное поле, а не световой луч. Вместо оптического колеса с прорезями в магнитном энкодере применяется намагниченный диск, который вращается над массивом магниторезистивных датчиков. Любое вращение колеса вызывает отклик датчиков, который поступает в схему входного каскада по преобразованию сигнала, позволяя установить положение вала двигателя. К числу достоинств магнитного энкодера относится весьма продолжительный срок службы, а к недостаткам - невысокая точность и восприимчивость к магнитным помехам от электродвигателей.

Помимо оптических и магнитных энкодеров для кодирования положения вала используются датчики Холла. У этих эффективных и надежных устройств, однако, относительно невысокое разрешение.

Учитывая большую необходимость в точном и надежном методе кодирования положения вращающегося вала, компания CUI остановила свой выбор на принципе емкостного измерения, реализованного в стандартном энко-дере, который преобразует угловое положение вала в линейное. Этот же метод используется также в цифровом штангенциркуле (см. врезку). Платформа, построенная на энкодере серии АМТ с выходными коммутирующими сигналами от CUI, обеспечивает высокую эксплуатационную надежность и точность. Емкостной энкодер обладает всеми указанными преимуществами оптического и магнитного датчиков, но не имеет их недостатков. Энкодер состоит из двух групп полос или линий, одна из которых установлена на неподвижном элементе конструкции, а другая - на подвижном элементе. Оба этих элемента образуют переменную емкость, сконфигурированную в виде пары передатчик/приемник (см. рис. 4).

Емкостной энкодер считает смодулированные импульсы при прохождении сигнала от ротора на вале двигателя
Рис. 4. Емкостной энкодер считает смодулированные импульсы при прохождении сигнала от ротора на вале двигателя
 
Привлекательность емкостной технологии заключается в том, что при ее использовании элементы системы не подвергаются износу, а энкодер защищен от воздействия пыли, грязи и масла на производстве, что обеспечивает более высокую надежность его эксплуатации, чем оптических устройств. Кроме того, емкостные энкодеры обладают преимуществами цифровых функций управления. К ним относится и способность регулировать разрешение устройства (число импульсов, приходящееся на количество оборотов), что исключает необходимость в его замене энкодером с другим разрешением (большим или меньшим).
 

Лучший среди других энкодеров

Новые устройства серии АМТ31 от компании CUI являются образцами современного емкостного энкоде-ра, обеспечивающего квадратурные сигналы А и В, индексный сигнал, а также сигналы U, V и W для коммутации обмоток. Этот энкодер, имеющий 20 значений разрешения в диапазоне 48-4096 имп/об, поддерживает семь значений полюсных пар двигателя в диапазоне 2-20. Кроме того, у энкоде-ра серии АМТ31 также имеется стопорный болт, что облегчает его монтаж. Напряжение питания энкодера: 5 В, ток источника питания: 16 мА.
 
Преимущества емкостного энкодера не ограничиваются только отличными характеристиками, универсальностью и надежностью. В отличие от оптического и магнитного энкоде-ров, цифровые функции емкостного энкодера обеспечивают систему многими уникальными преимуществами на всех этапах использования, начиная с разработки изделия и заканчивая его монтажом и даже техническим обслуживанием.

Выходной сигнал оптического или магнитного энкодера вполне функционален, но не обеспечивает универсальности, более полной информации или эксплуатационных преимуществ. Напротив, емкостной энкодер оснащен цифровыми функциями, использует собственную ASIC и микроконтроллер, которые обеспечивают дополнительные возможности и усовершенствованные характеристики. Интеллектуальный энкодер во многом меняет сценарий эксплуатации, сохраняя абсолютную совместимость со стандартными энкодерами.
 

Новый функционал

Обсудим подробнее то расширение функциональных возможностей, которое обеспечиваются ASIC и микроконтроллером, входящими в состав энкодера серии АМТ31 от CUI.
 
- Цифровые функции емкостного энкодера позволяют легко и быстро осуществить сброс. Для этого доста-точно только блокировать вал в требуемом положении с помощью соответствующих фаз электродвигателя и дать команду на обнуление. На все эти операции не потребуется больше одной-двух минут и специальных инструментов.
 
Напротив, процесс сброса оптического или механического энкодера является многоступенчатым, сложным и часто неэффективным. Поначалу требуется заблокировать ротор, изменить положение энкодера, а затем приступить к управлению   приводом   по  сигналам обратной связи с помощью осциллографа, чтобы с использованием противо-ЭДС и энкодера добиться сброса. Поскольку во многих случаях в этом итеративном процессе требуется точная подгонка и проверка, на его выполнение уходит 15-20 минут.
 
- Цифровые функции энкодера серии АМТ позволяют значительно ускорить проектирование благодаря универсальности, диагностике и оценке характеристик двигателя и контроллера. В частности, поскольку один емкостной энкодер работает в широком диапазоне разрешения и с большим числом полюсных пар, для динамического регулирования характеристики петли ПИД-управления при проектировании контроллера и создании алгоритма можно воспользоваться функцией программируемого разрешения, исключив необходимость в приобретении другого энкодера.
 
Энкодер серии АМТ осуществляет автономную диагностику, которая ускоряет анализ отказов. Кроме того, имеется возможность проверить корректность работы энкодера или установить причину отказа из-за механической несоосности вала. Более того, разработчик может воспользоваться этой функцией,чтобы принять предупредительные меры -например, провести тестовое испытание энкодера, прежде чем запустить приложение.
 
- Использование цифрового интерфейса сокращает список материалов (ВОМ). Поскольку параметры системы (скорость вращения, количество полюсных пар и направление переключения), в которой используется емкостной энкодер, задаются с помощью программного обеспечения,отпадает необходимость в других моделях энкодеров для многомоторных или нескольких разных двигателей.
 
Преимущества емкостного энко-дера очевидны уже на этапах производства и монтажа. Его монтажные отверстия совпадают с отверстиями энкодеров других типов (см. рис. 5). Таким образом, один энкодер можно устанавливать на валы разных диаметров с помощью переходников, что позволяет уменьшить число ассортиментных позиций на производственном складе и сократить ремонтный фонд.

Монтажные отверстия энкодеров АМТ совместимы с неемкостными энкодерами
Рис. 5. Монтажные отверстия энкодеров АМТ совместимы с неемкостными энкодерами
 
Универсальный энкодер АМТ11, состоящий из емкостного преобразователя и электрического интерфейса на основе заказной ASIC, представляет собой небольшой модуль диаметром 37 мм и толщиной 10,34 мм, который работает от источника питания +5 В. Выходные сигналы энкодера могут быть двух типов: несимметричный квадратурный сигнал КМОП-уровней с разницей фаз 90° и дифференциальный сигнал с выхода драйвера линии. Оба этих сигнала электрически совместимы с сигналами стандартных оптических и магнитных энкодеров. Подключение с осевой и радиальной ориентацией осуществляется в зависимости от требований приложения. Диапазон рабочей температуры энкодера составляет -40...105°С
 

Интеллектуальный энкодер и пользовательский интерфейс

Программное обеспечение Viewpoint для энкодеров серии АМТ, работающее на ПК под управлением ОС Windows, позволяет ускорить проектирование и сократить время на выполнение рутинных задач, к которым, например, относится определение номера модели и ее версии. Для подключения энкодера к ПК требуется лишь USB-кабель.

Программа Viewpoint для энкодеров серии АМТ обеспечивает простой в использовании интерфейс
Рис. 6. Программа Viewpoint для энкодеров серии АМТ обеспечивает простой в использовании интерфейс
 
На рисунке 6 показан графический пользовательский интерфейс, с помощью которого энкодер настраивается под нужды приложения.
 
Окно пользовательского интерфейса с параметрами позволяет задать основные характеристики энкодера и временной режим. Программирование устройства с помощью этого интерфейса осуществляется в несколько щелчков мыши, а на выравнивание и установку нуля для сигналов А, В, индексной метки или режима переключения требуется всего несколько секунд, что существенно меньше по сравнению со временем выполнения этой же задачи с помощью непрограммируемого энкодера.
В демонстрационном режиме у пользователей имеется возможность познакомиться с графическим интерфейсом и выполнить несколько операций, связанных с энкодером. Наконец, этот интерфейс также поддерживает создание номеров компонентов для заказа специфических моделей энко-деров, в т.ч. с учетом формата выходного сигнала, типа адаптера, монтажной опоры и т.д.

ИГОРЬ СМОЛЯНИНОВ, разработчик (Электронные компоненты №1 2016)




От штангенциркуля - к энкодеру

В сенсорных переключателях применяется принцип емкостного измерения; при этом палец пользователя выступает в качестве второй обкладки конденсатора. Данные об изменении его емкости считываются по интерфейсной схеме. Таким образом, воспроизводится функция традиционной электромеханической кнопки. Сенсорные переключатели защищены от воздействия пыли, воды и неправильной эксплуатации благодаря отсутствию подвижных элементов и небольшим металлическим пластинам, которые плотно прилегают к монтажной поверхности.

Применение емкостного метода измерения не ограничивается только переключателями. Например, повсеместное распространение получили цифровые штангенциркули. Ингвар Андермо (Ingvar Andermo), инженер-электротехник из стокгольмского института IM Research, 30 лет тому назад работал над созданием емкостной технологии считывания банкнот. СИ. Йоханссон (СЕ. Johansson) пытался создать цифровой штангенциркуль на базе магниторе-зистивной технологии, но емкостной метод оказался гораздо проще.

Первая реализация технологии Johansson Caliper, или Jocal, была представлена на чикагской выставке в 1980 г. Несколько лет спустя японская компания Mitutoyo на основе лицензии на эту технологию выпустила первый цифровой штангенциркуль. С тех пор во всем мире были проданы миллионы этих устройств.
3
 
Теги: Энкодер  
Комментарии принадлежат их авторам. Мы не несем ответственности за их содержание.
Отправитель Нити

Разное

Не давайте детям играть с ПДУ при работающем телевизоре.

Интересно

Наличие высокого напряжения на присоске можно проверить отверткой, соединенной с корпусом через резистор 3-5 МОм

Похожие новости