7.4 Датчики угла поворота
Датчики угла поворота (ДУП) предназначены для определения угла поворота вращающегося объекта (вала). Они широко применяются в приводах и, прежде всего, в сервоприводах. По способу выдачи информации ДУПы разделяют на накапливающие (инкрементные) и абсолютные (позиционные); по принципу действия – на оптические, резистивные, магнитные, индуктивные, механические. Они могут иметь неограниченный диапазон измерения угла. В настоящее время на практике наиболее широко применяются преобразователи угол-код (энкодеры).
Связь энкодера с вращающимся объектом осуществляется посредством механического соединения их валов с помощью специальной соединительной муфты, передающей угол поворота без искажений. Энкодер с полым валом можно монтировать непосредственно на вал объекта.
7.4.1 Оптические инкрементальные энкодеры
Инкрементальные энкодеры определяют угол поворота (не угловое положение!) объекта. Принцип работы оптического инкрементального энкодера поясняется на рис. 7.15.
Угловой оптический энкодер состоит из тонкого оптического диска и измерительной головки, включающей источник света и фотодетектор. На диске имеются прозрачные и непрозрачные участки, например, отверстия в металлическом диске или штрихи на стеклянном. При вращении диска фотодектор генерирует сигнал с частотой следования кодовых элементов непосредственно в цифровом виде (рис. 7.16) или аналоговый гармонический сигнал, который также может быть преобразован в цифровой. Подсчитывая количество импульсов (канал А), можно определить угол поворота вращающегося вала. За счет специальной (индексной) метки, определяющей начальное положение, можно измерять угловое положение вала в пределах оборота (от 0 до 360).
Рис. 7.15. Оптический инкрементальный энкодер:
1 – корпус; 2 – светодиод-источник для инкрементальных каналов; 3, 4 – фотодетекторы; 5 – светодиод-источник для индексного канала; 6 – фотодетектор индексной метки; 7, 8 – элементы крепления; 9 – перфорированный диск; 10 – прорези для инкрементальных каналов; 11 – прорезь – индексная метка; 12 – вращающийся вал
Рис. 7.16. Каналы инкрементального датчика
При добавлении второго измерительного канала (канал Б, «своя» пара «светодиод-фототранзистор») с угловым смещением относительно первого на 90 появляется возможность определить направление вращения. По частоте следования сигналов можно, кроме угла поворота, найти и угловую скорость вращения вала.
7.4.2 Оптические абсолютные энкодеры
При сбое питания или отключении инкрементального энкодера происходит потеря информации об угловом положении вала. Этого недостатка лишены абсолютные энкодеры, которые выдают различный цифровой код для каждого положения вала. Так как угол поворота всегда известен, то счетчик импульсов в этом случае не нужен.
Принцип работы абсолютного энкодера поясняется на рис. 7.17. На диске по концентрическим окружностям расположены сегменты в виде прозрачных и непрозрачных участков. Количество сегментов на каждой следующей окружности возрастает в два раза по сравнению с предыдущей. На первом кольце – 1 прозрачный и 1 непрозрачный сегмент, на втором – по два, на n-ом – по 2n-1 тех и других.
Рис. 7.17. Оптический абсолютный энкодер:
1 – корпус; 2 – массив светодиодов; 3 – массив фотодетекторов; 5 – диск с кодом; 6 – вращающийся вал
Число окружностей определяет разрядность абсолютного энкодера (в 16-разрядном – 32767 сегментов и соответственно 32767 угловых положений). Для считывания двоичного кода посредством абсолютного энкодера требуется по одному источнику света и одному фотоприемнику на каждую окружность энкодерного диска. В измерительной головке все светодиоды и все фотодетекторы объединяются в линейные массивы. Для уменьшения возможных ошибок используется не только двоичный, но и другие способы кодирования выходного сигнала. Один из самых распространенных — код Грэя.