Фактически у энкодера имеется четыре состояния:
1.Две единицы.
2.Ноль и единица.
3.Ноль и ноль.
4.Единица и ноль.
Три состояния, которые не равны единицам, являются неустойчивыми, и в них энкодер не может находиться. Во многих микроконтроллерах реализована функция подсчета поворотов с помощью таймеров, у которых есть определенные входы. Таймер считает на аппаратном уровне, на сколько щелчков и в какую сторону был повернут энкодер, и выдает значение. То есть, счетчик инкрементирует какое-либо число.
Следствием инкрементного характера квадратурных выходных сигналов является то, что любое разрешение углового положения может быть выражено не в абсолютной форме, а только относительно некоторой опорной точки. Создание такой точки отсчета может быть произведено несколькими способами. Для приложений, включающих непрерывное вращение на 360 градусов, большинство энкодеров включает в качестве третьего канала специальный индексный выход, который переходит в высокое состояние на каждом полном обороте вала. Промежуточные положения вала затем определяются числом, на которое увеличился, или уменьшился счетчик импульсов от этого известного индексированного положения. Одним из недостатков такого подхода является потеря информации об относительном положении в случае сбоя питания.
В случае ограниченного вращения, такого как возвратно-поступательное движение, вдоль направляющих (как в станках с ЧПУ) можно использовать электрические концевые выключатели и/или механические ограничители для задания исходного положения. Для улучшения повторяемости, возврат в исходное положение разбивается на два этапа. Ось вращается с пониженной скоростью в соответствующем направлении до тех пор, пока не встретится механизм остановки, после чего происходит обратное вращение в течение предопределенного короткого промежутка времени. Вал вращается медленно обратно до остановки на заданной медленной скорости. Из этой заданной начальной точки, тем самым, устраняя любые изменения в инерциальной нагрузке, которые могли бы повлиять на окончательное исходное положение. Этот двухэтапный подход используется, например, при старте шагового двигателя для инициализации позиционирования печатающей головки в принтерах.
С другой стороны, функция абсолютного индексирования может быть основана на каком-то внешнем действии по созданию опорной точки, которое отделено от цикла непосредственного сервоуправления. Хорошей иллюстрацией этой ситуации служит инкрементный датчик, используемый для отслеживания угла поворота баллера руля.
Преимущества:
относительная простота реализации (два датчика);
отсутствие ошибок при подсчете импульсов; возможно определить направление вращения.
51
Недостатки:
ошибка инициализации (при старте системы, не ясно, в каком положении находится ротор);
нестабильность работы на низких скоростях.
Абсолютные энкодеры
Абсолютные энкодеры обычно используются в приложениях с медленным вращением, в которых недопустима потенциальная потеря информации о положении. У этого типа энкодера всегда можно определить, на какой угол относительно нулевого сектора повернут энкодер в конкретный момент, то есть, при повороте он выдает значения номеров секторов, до максимального значения. Принцип действия абсолютного оптического энкодера представлен на рисунке 2.21. Элементы дискретного детектора в фотоэлектрической матрице индивидуально совмещены с концентрическими дорожками на светопрерывателе, создавая эффект бесконтактной реализации энкодера со щеточными контактами. Назначение отдельной дорожки для каждого бита результирующего разрешения приводит к дискам большего размера (по сравнению с конструкцией инкрементного энкодера) и соответствующему снижению допустимого отклонения при ударе и вибрации. При этом каждая дополнительная дорожка энкодера удваивает разрешение, но учетверяет стоимость датчика.
Рисунок 2.21 – Принцип действия абсолютного оптического энкодера
Вместо последовательного потока битов, как в инкрементном датчике, абсолютные оптические энкодеры обеспечивают параллельный вывод слова данных с уникальным кодом шаблона для каждого дискретного положения вала. Чаще всего используется код Грея, двоичное и двоично-десятичное кодирование. Характерной особенностью кода Грея является то, что только один бит, изменяется за раз, помогая избежать тем самым асинхронных неоднозначностей, обусловленными электронными и механическими допусками элементов. С другой стороны, двоичный код постоянно включает множество измененных битов при увеличении или уменьшении счета на единицу. Пример оптического диска с кодом Грея представлен на рисунке 2.22. Таблица кода Грея в сравнении с двоичным кодом представлен в таблице 2.3.
52
Рисунок 2.22 – Оптический диск с 5–х разрядным (32 положений) кодом Грея
Таблица 2.3 – Таблица кода Грея
Десятичный код |
|
Двоичный код |
|
|
Код Грея |
|
||
23 |
22 |
21 |
20 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
||||
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
5 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
7 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
8 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
9 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
10 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
11 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
12 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
13 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
14 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
15 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
Абсолютные энкодеры лучше всего подходят для медленных и/или редких поворотов, таких как кодирование угла поворота баллера руля, в отличие от измерения высокоскоростного непрерывного вращения, которое потребует вычисления смещения вдоль всего пути движения.
Преимущества:
отсутствие ошибок инициализации (при старте системы, ясно в каком положении находимся);
отсутствие ошибок при подсчете импульсов на границах; возможно, определить направление вращения;
53
отсутствие проблемы с граничными положениями (одновременно меняется не более 1 бита).
Недостатки:
относительная сложность реализации (несколько датчиков);
ограничения в разрешающей способности (для большей точности требуется больше каналов);
параллельный вывод данных, который требует более сложного интерфейса из-за большего количества проводов. 13-ти битный абсолютный энкодер, использующий дополнительные выходные сигналы для помехоустойчивости потребует 28-ми жильный кабель (13 сигнальных пар плюс питание и заземление) вместо шести в случае с резольвером или инкрементным энкодером;
чувствителен к ударам и вибрациям.
2.3.3 Магнитный энкодер
Магнитный энкодер, в котором преобразование углового перемещения вала в электронный сигнал реализуется бесконтактно на основе эффекта Холла, не связано с вращением оптического прерывателя внутри датчика, и допускает обработку сигналов на скоростях до 60 тыс. об/мин.
На рисунке 2.23 а представленный магнитный энкодер высокоскоростное вращение внешнего вала, на котором закреплен цилиндрический постоянный магнит, воспринимается датчиком Холла, совмещенным на одном полупроводниковом кристалле с контроллером обработки сигналов. При вращении полюсов постоянного магнита над микросхемой с датчиком Холла переменный вектор магнитной индукции наводит напряжение Холла, содержащее информацию о мгновенном значении угла поворота вала. При постоянном вращении возникает синусоидальное напряжение. Электронная схема усиливает и преобразует этот сигнал в удобную для обработки форму. На базе датчиков Холла строят инкрементальные абсолютные ШИМ–энкодеры.
Датчик Холла
а |
Датчик Холла |
б |
|
|
Рисунок 2.23 – Магнитный энкодер
Еще более просто может работать другой тип магнитного декодера, представленного на рисунке 2.23 б. Система измерения угла состоит из микросхемы и небольшого магнита, размещенного на небольшом расстоянии над микросхемой.
54
Датчики Холла, размещенные на кристалле микросхемы, фиксируют напряженность магнитного поля магнита, где затем рассчитывается абсолютное значение угла поворота магнита. Функциональные возможности, встроенные в микросхему, позволяют запрограммировать «нулевое» положение магнита, относительно которого будет рассчитан угол, произвести диагностику и откалибровать положение магнита над микросхемой для лучшей точности. Энкодер малочувствителен к рассогласованию взаимного положения микросхемы и магнита, а также к вариациям величины воздушного зазора.
2.3.4 Механические энкодеры
Механические энкодеры содержат диск из диэлектрика или стекла с нанесёнными выпуклыми, проводящими или непрозрачными участками. Считывание абсолютного угла поворота диска производится линейкой переключателей или контактов в случае механической схемы и линейкой оптронов в случае оптической. Выходные сигналы представляют собой код Грея, позволяющий избавиться от неоднозначности интерпретации сигнала. Основным недостатком механического энкодера является дребезг контактов, который может приводить к неправильному подсчёту и определению направления вращения.
2.4Сельсины
2.4.1Конструкция и принцип действия сельсина
Сельсинами называют электрические микромашины, обладающие способностью самосинхронизации и применяемые в индукционных системах синхронной связи в качестве датчиков и приемников. Слово «сельсин» происходит от английских слов self–synchronizing, что означает самосинхронизирующийся. Сельсин-передачи работают аналогично обычным механическим передачам, но в них крутящий момент между валами создаётся не при помощи непосредственно контактирующих шестерён, а посредством изменяющегося магнитного потока.
В системах автоматики и контроля часто возникает необходимость синхронного и синфазного вращения или поворота двух и более осей, механически не связанных друг с другом.
Сельсины применяются для различных целей:
1.Передача измерительной информации и команд на расстояние.
2.Синхронизации перемещения информации и команд на расстояние.
3.Измерения и визуального представления в цифровой форме линейных и угловых перемещений подвижных узлов станков и роботов.
4.Полуавтоматического управления исполнительными устройствами.
5.В качестве следящих систем.
Сельсины представляют собой индукционные электрические машины переменного тока. Статор и ротор сельсина выполняются в виде магнитопроводов специальной конструкции. Для уменьшения потерь они набираются из тонкой электротехнической стали. В пазах статора и ротора
55
укладывается обмотка возбуждения (первичная обмотка) и обмотка синхронизации (вторичная обмотка).
Условное графическое изображение и буквенное обозначение сельсинов на схемах показано на рисунке 2.24. Выводы обмотки синхронизации маркируют буквами Sl, S2, S3, выводы обмотки возбуждения – буквами Rl, R2. Буквенное обозначение сельсинов: BE – приёмник, ВС – датчик.
ОС ОВ
{ {
а
R1 
ОС |
R2 |
S1
ОВ |
|
|
|
S2 |
S3 |
|
|
|
б |
|
в |
Рисунок 2.24 – Условное графическое изображение однофазных сельсинов:
а– бесконтактного; б – контактного с обмоткой возбуждения на роторе;
в– развёрнутая схема
Сельсины подразделяются на две группы: трёхфазные силовые и однофазные.
Трёхфазные сельсины применяются в системах, где требуется обеспечить синфазное и синхронное вращение двух двигателей (валов), находящихся на расстоянии друг от друга. Трехфазный сельсин имеет трехфазную обмотку возбуждения и трехфазную обмотку синхронизации. Такие сельсины по конструкции не отличаются от обычных асинхронных двигателей и применяются в основном при больших мощностях
Однофазный сельсин содержит однофазную обмотку возбуждения (ОВ), трёхфазную обмотку синхронизации (ОС), магнитопровод, вал и конструктивные элементы. Сельсины бывают бесконтактными и контактными. В первых, обе обмотки расположены на статоре, во-вторых сельсинах – одна обмотка расположена на статоре, другая – на роторе. Обмотка синхронизации распределена по пазам, обмотка возбуждения выполняется сосредоточенной в виде катушек на полюсах либо распределённой по пазам. В контактном сельсине электрическая связь с обмоткой, расположенной на роторе, осуществляется с помощью контактных колец и щёток. Принцип работы сельсина не зависит от места расположения каждой из обмоток: на статоре или на роторе. Однако наибольшее распространение получили сельсины с обмоткой возбуждения на роторе и обмоткой синхронизации на статоре (рисунок 1, б). У них меньше контактных колец и щеток, что обеспечивает более высокую надежность, меньший момент трения и объем сельсина. В цепи передачи сигнала (линии
56
связи обмоток синхронизации) отсутствуют скользящие контакты. При такой конструкции проще выполнить демпферную обмотку на роторе.
Наличие скользящих контактов значительно снижает надежность контактных сельсинов. Бесконтактные сельсины подразделяются на:
а) с униполярным возбуждением ротора со стороны статора; б) с переходным кольцевым трансформатором.
Недостатком бесконтактных сельсинов является худшее использование активных материалов. Их масса примерно в 1,5 раза больше, чем контактных. Объясняется это большими воздушными зазорами, вследствие чего сельсины имеют значительные потоки рассеяния и большие намагничивающие токи.
Преимущества:
простота;
надёжность;
ремонтопригодность.
Недостатки:
невысокая точность синхронизации, особенно когда на валу сельсина-приёмника действует существенный механический момент;
относительно невысокая точность передачи угла, обусловленная погрешностями изготовления магнитопровода сельсина;
колебание ротора, не имеющего нагрузочного момента сельсина с частотой питающего переменного тока.
Для повышения точности применяют пару сельсинов – «грубый» и «точный» (последний установлен через редуктор и за один оборот основного вала делает несколько оборотов). Если сигнал с грубого сельсина слабее некоторого порога, автоматика передаёт в линию связи сигнал с точного сельсина. Для подавления колебаний ротора, не имеющего нагрузочного момента используются механические демпферы.
Однофазные сельсины могут работать в двух режимах: индикаторном и трансформаторном.
2.4.2 Индикаторный режим
Сельсин–датчик принудительно поворачивается на определённый угол, а сельсин-приёмник устанавливается в соответствующее ему положение (рисунок 2.25). Индикаторная схема применяется для синхронной дистанционной передачи угла поворота и различных величин, предварительно преобразованных в угловое перемещение, когда на выходе нет значительного крутящего момента.
57
|
CД |
|
|
СП |
|
|
|
|
|
~U |
|
ФД |
|
ФП |
|
|
|
||
|
αД |
|
I1 |
αП |
|
|
|
||
|
|
EД1 |
EП3 |
EП1 |
|
EД3 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
EД2 |
|
EП2 |
|
|
|
|
|
|
I3 |
|
|
I2 |
|
|
|
|
Рисунок 2.25 – Схема однофазных сельсинов в индикаторном режиме
В индикаторном режиме ОВ получает питание от сети переменного тока.
UВ=UBM∙sinωt.
Магнитный поток, действующий по оси обмотки возбуждения, наводит соответствующую ЭДС в фазах обмотки статора:
E1 Д
E2 Д
E3 Д
KT 1
KT 2
KT 3
U Am cos Д |
sin t; |
|
E |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1П |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||
UBm |
cos |
Д |
|
|
|
sin t; |
E2 П |
||
3 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||
UCm |
cos |
Д |
|
|
|
|
sin t; |
E3П |
|
|
3 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
KT 1 |
U Am cos П |
sin t; |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||
KT 2 |
UBm |
cos |
П |
|
|
|
sin t; |
||
3 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||
KT 3 |
UCm |
cos |
П |
|
|
|
|
sin t, |
|
|
3 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где КТ – коэффициент трансформации между фазной и роторной обмотками. Если ротор сельсина-датчика вывести из согласованного положения и
зафиксировать (затормозить), то угол рассогласования ∆α = αД – αП будет отличным от нуля. В этом случае в обмотках синхронизации и линий связи потекут уравнительные токи Ii, так как ∆Ei 0.
I |
|
|
|
E1 Д |
Е1П |
; |
|
|||
1 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
2ZФ |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||
I |
|
|
E2 Д Е2 П |
|
; |
|||||
2 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
2ZФ |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
I |
|
|
E3 Д Е3П |
, |
||||||
3 |
|
|||||||||
|
|
|
|
2ZФ |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||
где ZФ – полное сопротивление фазной обмотки сельсина.
При взаимодействии магнитных потоков, создаваемых уравнительными токами, с потоком возбуждения ФД и ФП на валах роторов сельсина-датчика и сельсина-приемника возникают синхронизирующие моменты, которые стремятся повернуть роторы в согласованное положение. Так как ротор сельсинприемник не заторможен, то под действием вращающего момента он придет в
58
согласование (синфазное) положение с ротором сельсина-датчика, т.е. положение, когда ∆α=αД–αП =0.
Величина момента, поворачивающего ротор сельсина-приемника,
является функцией угла рассогласования:
М ММ ,
где ММ – максимальный момент сельсина, определяемый его параметрами. Моментно-угловая зависимость является статической характеристикой
сельсинной пары, работающей в индикаторном режиме.
Виндикаторном режиме передача угла происходит со статической угловой погрешностью. При работе без нагрузки погрешность, вызванная собственным
моментом трения МТ сельсина-приемника, является основной и характеризует величину зоны нечувствительности приемника, в пределах которой ротор приемника может занять любое положение при одном и том же положении датчика.
Впроцессе эксплуатации на точность передачи влияют колебания напряжения и частоты питающей сети и сопротивление линии связи сельсинов. Уменьшение напряжения и увеличение частоты приводят к уменьшению потока возбуждения Ф. Увеличение расстояния между сельсинами и сопротивления
линии связи снижает величину тока в обмотках синхронизации и МДС Fmax. В обоих случаях уменьшается синхронизирующий момент и точность передачи. Резкое снижение точности передачи наступает при появлении момента нагрузки на валу приемника.
2.4.3 Трансформаторный режим
Сельсин-датчик принудительно поворачивается на определённый угол, а на выходе сельсин-приёмника формируется напряжение, являющееся функцией угла рассогласования между ними (рисунок 2.26). Трансформаторная схема синхронной передачи угла применяется тогда, когда на ведомой оси имеется значительный момент сопротивления.
Обмотка возбуждения сельсина-датчика, как и в случае индикаторного режима, подключена к питающей сети и служит для создания в магнитной системе машины пульсирующего магнитного потока. Обмотки синхронизации датчика и приемника соединены между собой линия связи. Обмотка возбуждения сельсина-приемника предназначена для выработки сигнала (напряжения), зависящего от угла рассогласования. В исходном положении ротора СД ось обмотки 1 совпадает с осью обмотки возбуждения ОВ, в которой наводится максимальная э.д.с. При повороте ротора СД обмотки 1,2 и 3 смещаются. Эти токи создают в сельсине–приемнике магнитный поток, направленный под углом ∆α=αД–αП к продольной оси выходной однофазной обмотки. В выходной обмотке наводится ЭДС, которая является выходным
сигналом сельсинной пары:
ЕВых UM ,
где Uм – максимальное значение напряжения, наводимого в ОВ.
59
|
CД |
|
СП |
|
|
|
|
~U |
ФД |
ФП |
EВых |
|
αД |
I1 |
|
|
|
|
|
|
EД1 |
|
EП1 |
|
|
|
|
|
EД3 |
EП3 |
EП2 |
|
EД2 |
|
|
|
I3 |
|
I2 |
|
|
|
Рисунок 2.26 – Схема сельсинов в трансформаторном режиме
При этом по линии связи передается незначительный по мощности сигнал, затем сигнал усиливается, приводит во вращение исполнительный двигатель, который, перемещая объект управления, одновременно уменьшает угол рассогласования между сельсином-датчиком и сельсином-приемником.
Уменьшение максимально допустимых погрешностей сельсинов в трансформаторном режиме по сравнению с индикаторным объясняется тем, что точность работы сельсинов в трансформаторном режиме определяется только их магнитной и электрической симметрией, а не величиной паразитных моментов на валу.
Для обоих режимов существуют схемы включения:
–парная (датчик и приёмник);
–многократная (датчик и несколько приёмников);
–дифференциальная (два датчика и приёмник).
2.4.4 Многократный режим включения
Иногда требуется передать на расстояние угловую величину не в одно, а в несколько мест. Например, когда положение какого-либо регулирующего органа необходимо передать на главный пульт управления и местные наладочные пульты и т.д. Тогда к одному датчику подключают несколько сельсинов– приемников. Такой режим называют многократным приемом (рисунок 2.27).
Пусть к датчику подключено п однотипных с ним приемников. Синхронизирующий момент пропорционален МДС Fmax, последняя в свою очередь пропорциональна току обмотки синхронизации Imах. Так как приемники подключены к датчику параллельно, синхронизирующий момент приемника будет в п раз меньше момента датчика, поскольку
IП IД/n.
В силу снижения моментов у сельсинов-приемников точность передачи будет значительно снижена.
60