1. Замикаючи контур зворотного зв'язку
2. «Справжнім я дозволяю ...»
3. Кодування положення, а не даних
4. Наступ датчиків Холла
5. висновок

У багатьох додатках для управління рухом необхідно знати положення, швидкість і часом - прискорення ротора двигуна або його навантаження.

Залежно від особливостей програми контролера двигуна або потрібні точні або приблизні значення цих параметрів, або вони будуть зовсім не потрібні. Якщо відомо стан двигуна і положення ротора, то керуючий контролер працює із замкнутим контуром зворотного зв'язку.

Звичайно, швидкість, положення і прискорення двигуна тісно пов'язані між собою. Оскільки швидкість - це похідна від положення (за часом), а прискорення - похідна від швидкості, то все три параметра можна визначити, знаючи лише один з них (додатково зауважимо, що швидкість є інтегралом від прискорення, а положення - інтегралом від швидкості).

Однак на практиці такий метод визначення пов'язаних параметрів часто (але не завжди) дає неточні результати через малу дозволу і високої шуму. Наприклад, знаючи, що ротор завершив черговий оборот, можна визначити всі три змінні, але з дуже низьким і зазвичай неприйнятним дозволом. В залежності від програми необхідний дозвіл і точність можуть варіюватися від грубого до помірного і точного.

Верстат з ЧПУ потребує точної інформації про стан ротора, контролер склопідіймача автомобіля може працювати з приблизними даними, а для пральної машини або сушарки одягу буде досить і грубих значень.

Замикаючи контур зворотного зв'язку

Для визначення положення ротора або виявлення руху найбільш часто використовуються резольвера, оптичні або ємнісні енкодери і датчики Холла, які в даному випадку розташовані в порядку убування точності, роздільної здатності та вартості. Ці датчики сильно відрізняються за принципом дії, конструкції і електричному інтерфейсу, тому розробники повинні визначити, який з варіантів буде найкращим вибором в цьому додатку, і як буде здійснюватися зв'язок датчика зі схемою контролера.

Інкрементальні енкодери (використовуються, коли потрібно визначити тільки відносне положення або якщо вартість є критичною) зазвичай працюють разом з асинхронними двигунами змінного струму. А ось абсолютні енкодери (які формують для кожного положення валу свій вихідний двійковий код, тобто визначають абсолютне положення вала) часто використовуються спільно з безколекторними двигунами з постійними магнітами в сервоприводах. Чи потрібна Інкрементальний або абсолютна інформація - визначають, в першу чергу, особливості застосування.

Хоча в даний час в більшості випадків управління двигуном здійснюється через цифровий контур управління, сам сигнал датчика виявляється або повністю аналоговим, і його необхідно оцифрувати, або являє собою двійковий сигнал, але з напругою і іншими характеристиками, що роблять його несумісним зі стандартною цифровий схемою. Деякі з датчиків зворотного зв'язку поставляються з «сирим» виходом, і їх вихідний сигнал необхідно погоджувати. Є й такі, які мають узгоджені, готові до підключення виходи, сумісні зі стандартними портами введення / виведення, форматами та протоколами.

Хоча підвищення дозволу з першого погляду здається хорошою ідеєю, на практиці це не завжди так. Використання надлишкового дозволу здатне уповільнити роботу системи, так як вимагає додаткової обробки інформації, яка може бути як корисною, так і марною. Тому обмеження дозволу на мінімально допустимому рівні - хороша ідея.

«Справжнім я дозволяю ...»

Резольвера - це точні і надійні абсолютні датчики положення. Вони працюють за принципом трансформатора з однієї первинної і двома вторинними обмотками, які зміщені на 90 ° відносно один одного.

Ефективне співвідношення витків обмоток і полярність між первинною і вторинною обмотками змінюються в залежності від кута повороту вала. Первинна обмотка збуджується опорним змінним сигналом з постійною частотою, яка може варіюватися від 50/60 Гц до декількох сотень кГц, а сигнали вторинних обмоток виявляються не в фазі через їх фізичного усунення. Пікові напруги вторинних обмоток змінюються в міру обертання валу і пропорційні куту повороту. При демодуляції цих вихідних напруг з використанням еталонного сигналу первинної обмотки схема резольвера може забезпечувати визначення кута валу з високою роздільною здатністю.

Резольвер не тільки точний, але і надійний. У ньому немає механічного контакту між первинною і вторинною обмотками, немає окремих щіток або підшипників на додаток до тих, які є у самого двигуна, немає точок тертя, які можуть привести до зносу деталей, і можливості забруднення (наприклад, маслом), які могли б перешкодити роботі. Завдяки механічної надійності і точності резольвера широко застосовуються в таких особливо відповідальних і складних додатках як вимір кутів обертання в артилерійських гармат.

Однак резольвера громіздкі і щодо дорогі в порівнянні з альтернативними рішеннями, а також споживають досить велику потужність, що неприйнятно для малопотребляющіх систем. Вони також вимагають щодо складних схем для генерації і демодуляції сигналів змінного струму, хоча це не настільки велика проблема при використанні сучасних ІС. Резольвера дозволяють визначати абсолютне положення вала відразу після включення живлення, для виконання вимірювань їм не потрібно якесь початкове рух або визначення початкового кута повороту. Звичайно, ця особливість принципово необхідна для одних додатків, і абсолютно неважлива для інших.

Кодування положення, а не даних

Оптичний енкодер (термін «енкодер» тут не пов'язаний з кодуванням цифрових даних) є інкрементального датчиком положення, в якому використовується джерело світла (світлодіод), два фотодатчика, зміщених одна відносно одної на 90 °, і скляний або пластиковий диск між ними (рис. 1). На диску вирізані тонкі щілини, які виходять з центру. При обертанні диска датчики бачать чергування світлих і темних смуг.

Кількість щілин на диску і деякі інші параметри визначають дозвіл датчика, яке зазвичай становить 1024, 2048 або навіть 4096 відліків на оборот. На відміну від трансформаторних датчиків, таких як резольвера, оптичні енкодери довгий час не були масово представлені на ринку, поки не з'явилися довговічні світлодіоди і ефективні фотодатчики.

Мал. 1. Оптичні енкодери

Фізичне розташування фотодатчиків дозволяє енкодер визначати напрямок обертання. Основна схема перетворює вихідні імпульсні послідовності двох датчиків (званих виходами A і B) в пару бітових потоків, за якими можна судити як про рух, так і про його направлення.

Однак енкодер є інкрементального, а не абсолютним датчиком положення. Щоб визначати абсолютне положення, в більшість енкодерів додають третій вихід і фотосенсор для отримання нуль-мітки. При цьому вал повинен здійснити достатній поворот, щоб зловити цей сигнал. Є способи додавання до оптичного енкодер повноцінного сигналу абсолютного положення, але це ускладнює пристрій датчика.

Оптичні енкодери пропонують дуже гарне дозвіл, але вони не так надійні, як резольвера: на шляху проходження оптичного сигналу може виявитися бруд, або кодує диск може бути забруднений. Однак продуктивність енкодерів більш ніж достатня для багатьох додатків - вони компактні, легкі, мають невелике споживання, прості в підключенні і відрізняються малою вартістю.

Прикладами типових оптичних датчиків для двигунів і систем з обертанням є двоканальні модулі HEDS-9000 і HEDS-9100 виробництва Avago Technologies (тепер - Broadcom). Ці недорогі високопродуктивні модулі включають в себе світлодіоди з лінзами і мікросхему детектора, які разом з керуючою електронікою і вихідним інтерфейсом поміщені в невеликий пластиковий корпус C-подібної форми (рис. 2). Модулі мають сильно коллімірованний джерело світла і особливу прихильність фотоприймача, що робить їх малочутливими до несоосности при установці.

Мал. 2. Двоканальні модулі HEDS -9000 і HEDS -9100

Зверніть увагу, що кодує диск, званий кодовою колесом, купується окремо, з дозволом 500 CPR (відліків на оборот) і 1000 CPR для HEDS-9000 і 96 ... 512 CPR для HEDS-9100. Модулі мають два канали (A і B) з TTL-сумісними цифровими виходами і вимагають одного джерела живлення 5 В.

Існує альтернатива оптичним енкодер - енкодери, що використовують ємнісний зв'язок замість оптичної, як, наприклад, в датчиках CUI AMT10 Series (рис. 3). Це сімейство включає ряд надійних високоточних модулів, доступних в інкрементальних і абсолютних версіях, з дозволом до 12 біт (4096 відліків). Дозвіл вибирається користувачем з 16 значень за допомогою чотирьохпозиційного DIP-перемикача. Стан квадратурних виходів A / B цих модулів передається по стандартному CMOS-сумісного інтерфейсу SPI.

Мал. 3. Ємнісний енкодер CUI AMT 10

На відміну від оптичних енкодерів в CUI AMT використовується повторюється вигравіруваний малюнок з провідників на рухомій і нерухомій частинах енкодера. При обертанні енкодера відносна ємність між двома частинами збільшується або зменшується, і це зміна ємності детектується, що дещо схоже на роботу фототранзисторів в оптичному енкодер. При цьому вплив пилу і забруднень виявляється незначним.

Варто мати на увазі, що резольвера і енкодери все-таки є механічними системами з особливими вимогами до монтажу та електричної сумісності. Щоб не робити безліч різних унікальних датчиків, CUI пропонує для серії AMT10 різні допоміжні аксесуари: рукава, кришки і монтажні підстави. Тому один і той же базовий датчик може використовуватися з валами різного діаметру і для різних способів установки. Резольвера і енкодери забезпечують вимірювання з дозволом до 1/100 ° (0,6 кутової хвилини) або навіть краще, але дозвіл - це не те ж саме, що точність (для деяких додатків важливіший перший параметр, а для інших додатків - другий) .

Незалежно від того, чи використовується в системі резольвер або енкодер, в ній все одно існують джерела помилок: температурна похибка, зміна швидкості обертання, небажані фазові зрушення і інші фактори. Однак виробники цих пристроїв розробили способи усунення або компенсації багатьох з цих похибок. Для цього часто використовуються проміжні схеми на основі ІС, які поміщають між необробленим вихідним сигналом сенсора і наведеним виходом, який надходить на системний контролер.

Наступ датчиків Холла

Ще один клас енкодерів або датчиків, заснований на давно відомому принципі, вимагає ефективної напівпровідникової електроніки і наявності відповідних корпусних виконань. Крім того, важлива інтерфейсна схема, здатна працювати з мінімальним напругою і легко взаємодіяти з системою, тепер доступна в інтегральному виконанні, що ще більше спрощує використання цієї технології. пристрої з датчиками Холла можуть застосовуватися як для вимірювання струму через провідник, який є частиною датчика, так і для виявлення навколишнього магнітного поля.

До складу деяких датчиків Холла входить не тільки сам сенсор. Наприклад, трехосевой датчик положення MLX90367 виробництва компанії Melexis є інтегральну мікросхему абсолютного датчика, чутливого до щільності магнітного потоку, що проходить перпендикулярно і паралельно поверхні ІС. Він чутливий до трьох складових щільності потоку, що дозволяє MLX90367 (спільно з коректною магнітною системою) розпізнавати абсолютне положення будь-якого рухомого магніту (наприклад, обертання в діапазоні 0 ... 360 °).

Цей пристрій, маючи 12-бітове дозвіл, здатне виконувати обробку сигналу за допомогою вбудованого мікроконтролера і DSP (рис. 4). Це дозволяє робити необхідні обчислення, вносити поправки для існуючих нелинейностей і багато іншого. Мікросхема має безліч особливостей і функцій, які вибираються користувачем, а також підтримує різні формати вихідних даних, включаючи розширений формат з вбудованою корекцією помилок SENT (SAE J2716-2010), який широко використовується в автомобільних додатках.

Мал. 4. Melexis MLX 90367

Більшість магнітних енкодерів з датчиками Холла використовує спеціальне колесо, прикріплене до валу двигуна. По периметру даного колеса розташовуються полюса з північним і південним напрямками намагнічування. Така конструкція являє собою магнітний аналог кодує диска оптичних енкодерів. Колесо зазвичай виготовляють з фериту, литого під тиском, в який вбудований масив намагнічених елементів. Типове колесо має 32 полюса (16 північних і 16 південних), тому дозвіл виявляється набагато менше, ніж для оптичних енкодерів або резольвера, але часто цього достатньо для багатьох додатків. Зазвичай використовується одночасна установка трьох датчиків Холла, розташованих з електричним зміщенням 120 ° один від одного.

висновок

Розробники, яким потрібно визначати положення вала двигуна, швидкість або прискорення, мають в своєму розпорядженні багатий вибір варіантів рішень, що охоплюють широкий діапазон ключових характеристик і параметрів продуктивності. Резольвера, оптичні та ємнісні датчики, а також датчики Холла мають свою специфіку. Той чи інший варіант може виявитися кращим за рахунок особливостей конкретних додатків.