Избор на най-подходящите енкодери за задвижващи системи

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 6/2020 • 09.09.2020

Все повече съвременни задвижващи системи, включително базирани на серво- и стъпкови мотори, разчитат на обратна връзка от енкодери за прецизно управление на скоростта и позицията. Енкодерите преобразуват движението на проследявания обект, например вал на електродвигател, в цифров сигнал. Необходимо е те да са правилно подбрани според потребностите на приложението, за да осигуряват оптимална ефективност.

При избор на съответния преобразувател или сензор за преместване е препоръчително да бъдат взети предвид няколко ключови фактора. Сред тях са условията на средата, включително температура, влага, наличие на удари, вибрации, замърсяване т. н. Важно е да се отчетат още: типът на движението (едно- или двупосочно, линейно или ъглово); големината на преместване (разстоянието); чувствителността при връщане към изходна позиция, механичният дизайн, резолюцията, стъпката на нарастване и т.н.

Изборът на подходящ енкодер зависи също и от електрическите спецификации на задвижванията и контролерите. Добре е да бъде взета предвид също физическата конфигурация на устройството, включително конфигурацията и разстоянието между енкодера и контролерите. Не на последно място, ключово съображение е и бюджетът.

Най-важният избор по отношение на енкодерите е обусловен от условията на работната среда и се свежда до типа на сензорната технология. Трите най-популярни типа датчици по този показател са оптичните, магнитните и индуктивните.

 

Оптични енкодери

В оптичните енкодери диск с измервателен еталон (градуировка) е монтиран към обекта, чиято скорост или позиция измерва, обикновено вала на електродвигателя. При измерване дискът преминава между светодиоден лъч и фотодетектор, прикрепен към корпуса на енкодера. Скалата на преобразувателя или пресича лъча, за да генерира последователност от квадратни вълнови импулси, или генерира двоична цифрова дума (верига от символи или битове). И в двата случая на база тези данни се извършва отчитане на позицията и/или скоростта. При линейните оптични преобразуватели както светодиодният източник, така и детекторът се движат, докато линейната скала е фиксирана.

Предимство на оптичните датчици за преместване е високата резолюция. Тя ги прави подходящи за взискателни научни и индустриални приложения, които изискват прецизно измерване на ъглова или линейна позиция с изключително висока точност.

Като недостатък на този тип преобразуватели специалистите посочват тяхната чувствителност на замърсяване. Ето защо те не се препоръчват за приложения, за които са характерни висока степен на запрашаване, влага или корозивни химикали. Оптичните енкодери със стъклен носещ субстрат традиционно са уязвими на удар и вибрации.

 

Магнитни енкодери

Този тип преобразуватели функционират на аналогичен принцип с този на оптичните. Вместо оптични градуирани дискове обаче магнитните ротационни енкодери се отличават със специфична конструкция, която създава смущения в магнитно поле. Тя може да включва зъбни колела от черни метали, барабани, дискове с редуващи се магнитни домени, линейни скали и т. н.

Домените създават променливо магнитно поле, което може да бъде засечено с помощта на различни технологии, включително прости магнитни датчици или магнитострикционни детектори, които осигуряват по-висока скорост на измерване. Като алтернатива могат да бъдат използвани и датчици на Хол. Те представляват преобразуватели, които изменят изходното си напрежение в резултат на промяна на интензитета на магнитното поле. Тези сензори се използват в съвременни прецизни приложения, а също така и за безконтактно превключване, позициониране и определяне на скорост. Осигуряват здраво и икономично решение, комбиниращо висока чувствителност и резолюция с по-висок толеранс към ударни натоварвания.

Предимство на магнитните енкодери е, че са традиционно издръжливи на тежки условия, което ги прави подходящи за множество индустриални приложения.

Датчиците от този тип могат да работят под вода, покрити с прах, както и изложени на силни вибрации. Подходящи са и за бюджетни приложения, тъй като са сравнително икономични.

Недостатък на магнитните преобразуватели е, че са чувствителни на високи магнитни полета и обикновено се нуждаят от специална защита. В допълнение твърде големите ударни натоварвания могат да размагнетизират магнитните домени, а също и прекалено високите температури. Магнитните енкодери се характеризират и с по-ниска резолюция в сравнение с оптичните. Най-подходящи за индустриални приложения в мръсни, запрашени и агресивни среди са датчиците на Хол.

 

Индуктивни енкодери

Индуктивните енкодери са тясно свързани с т. нар. резолвери. Последните представляват диференциални трансформатори, които определят абсолютно ъглово положение на въртящ се товар чрез проследяване на напреженията, индуцирани в двойка “отчитащи” бобини. Първичната намотка е прикрепена към ротора и към нея се подава захранване, докато вторичната синусова и вторичната косинусова намотка са прикрепени към статора. Въртенето на първичната намотка индуцира ток във вторичните бобини.

Резолверите са изключително здрави, но често се оказват трудни за инсталиране. Индуктивните енкодери са проектирани именно за преодоляване на този недостатък. Вместо конвенционални намотки при тях има плоски елементи, литографски нанесени върху печатна платка. И трите намотки са на една и съща печатна платка и са монтирани към статора. Проводим диск, монтиран към ротора или вала, възбужда бобините.

Сред предимствата на този тип енкодери е много високата им резолюция. Те са устойчиви на замърсяване, попадане на течности, екстремни температури, удар и вибрации. По-лесни са за използване от резолверите и са по-компактни, особено т. нар. вихрови конструкции, които използват тънък филм без желязо с дебелина само 100 mm за проводимия диск.

Индуктивните преобразуватели имат и някои недостатъци. Въпреки че индукторите са здрави, проводимите дискове крият потенциални проблеми. Правилният избор на субстрат за диска е от съществено значение. В приложения с екстремни температури не е препоръчително да се използват дискове от меко желязо. Железните или феритови носещи субстрати могат да се използват при високомагнитни полета, но обикновено изискват защитно екраниране. Индуктивните енкодери са най-подходящи за приложения, при които е налице комбинация от агресивни условия на средата и изисквания за висока резолюция и прецизност.

 

Връщане към изходна позиция

Енкодерите могат да бъдат класифицирани още като инкрементални и абсолютни. Инкременталните енкодери са електромеханични датчици, които проследяват нарастването (или измервателните стъпки) от някаква произволна начална позиция, зададена при стартиране. Важна особеност е, че, ако бъдат изключени или се повредят, трябва да бъдат върнати към изходната позиция (rehoming) преди ново измерване.

Абсолютните енкодери задават уникална дигитална комбинация от символи (дума) за всяка ъглова позиция. Поради това при поискване датчикът винаги може да възстанови ъгловото положение на устройството, което измерва.

Най-подходящите приложения на абсолютните енкодери включват сценарии, в които връщането към изходна позиция в която и да е точка от траекторията на преместване може да доведе до повреда или опасни условия. Примерите за такива приложни области включват хирургически роботи, роботи за автомобилостроенето, както и взаимосвързана механика или оси, които могат да претърпят авария при повторно захранване след повреда. В някои случаи дори само времето, прекарано във връщане към изходна позиция, може да повлияе негативно на производителността на приложението и да оправдае инвестицията в абсолютен вместо в инкрементален енкодер.

Градуировката на диска на инкременталните енкодери включва специална скала, съставена от концентрични кръгове с редуващи се непрозрачни и прозрачни зони, които генерират поредица от квадратни импулси. Носещият субстрат на абсолютните енкодери е разграфен така, че да създава уникална цифрова комбинация от символи за всяка ъглова позиция.

 

Избор според резолюцията

Изборът на разделителна способност е може би най-големият проблем при избора на енкодер. Битува широко разпространено схващане, че енкодер с по-висока разделителна способност автоматично ще увеличи точността на позициониране. Това обаче невинаги е така. Прецизността на всяка позиционираща система е ограничена от механиката. При ротационните (ъгловите) енкодери резолюцията се измерва в импулси за оборот (ppr). Дори енкодерът с най-висока разделителна способност би бил неефективен, ако са налице толкова много деления в градуировката, че да не може надеждно да се позиционира с необходимата точност. Потребителите често смятат, че по-високата разделителна способност автоматично означава, че системата им е по-точна, когато всъщност това просто значи, че енкодерът е с по-широкобхватни възможности за измерване. В най-добрия случай се допускат излишни разходи за по-скъп енкодер, а системата не успява да постигне целите за позициониране. В най-лошия сценарий оста прескача, търсейки зададената позиция, но не може да я достигне и се придвижва напред и назад.

Това може да забави работата или дори да доведе до повреда на оста. В такъв случай инвестицията в допълнителна разделителна способност би могла да бъде по-ефективно оползотворена в съединители (куплунги) с по-малко ъглово съответствие или във валове с по-малко намотки.

За да се дефинира разделителната способност, е препоръчително да се започне с определяне на най-малкото разстояние на нарастване, изисквано от приложението. Изборът на разделителна способност, която е около четири пъти по-висока от минималната измервателна стъпка, е подходящо съотношение. То може да се увеличи до коефициент от 10 за по-чувствителни приложения. Капиталовложението в много по-висока от тази резолюция най-вероятно ще бъде оправдано само в ограничен набор от високопрецизни приложения. Ето защо разпространеното схващане, че по подразбиране е най-добре просто да се избере решението с най-висока разделителна способност, на практика е погрешно. Дори да е в наистина малък процент от приложенията, излишно високата резолюция може да причини проблеми.

Енкодерът получава толкова много отчитания, че данните просто се превръщат в шум. Ето защо практичният избор се определя от най-малкия инкремент – най-малката стъпка на нарастване, която реално е необходимо да бъде измерена. Резолюция, равна на четири пъти по-голям от този брой деления, вероятно е най-подходящият вариант, съветват експертите.

Резолюцията на линейните енкодери се измерва в брой импулси за единица разстояние (например импулси на милиметър и т. н.). Градуировката е с фиксирана стъпка, определена от деленията, които са нанесени върху еталона и се разчитат от сензорната глава. Има голяма разлика между изискваната от приложението резолюция и разделителната способност, която реално може да бъде постигната в работни условия. За въртящ се инкрементален енкодер ъгловата скорост на преместване или броят обороти за единица време (RPM) и честотната лента (или работната честота в херци) определят броя на импулсите, които могат да бъдат предадени от хардуера. Работната честота е фиксирана според електрониката на енкодера. Тя се задава от производителя и обикновено е от порядъка на кило- или мегахерци. Ако е нужен изход с по-висока разделителна способност за дадена високоскоростна система, е по-добре да се избере енкодер с по-висока работна честота.

За да опростят избора на енкодер, производителите предоставят диаграми с разделителна способност на данните като функция на скоростта. Тези графики са специфични за всеки енкодер и позволяват оптимален баланс между скоростта и производителността.

 

Комуникационни възможности

Тъй като абсолютните енкодери предават цифрови комбинации от символи, а не аналогови сигнали, те предлагат множество различни възможности за комуникация, които включват:

Паралелно окабеляване – двойка проводници за всеки бит за данни. Паралелното окабеляване изпраща всеки бит едновременно, но това изисква повече проводници, което добавя сложност към системата и налага допълнителни разходи;

Серийни интерфейси – при тях се изпращат всички битове информация през общ интерфейс, но последователно – един по един. Това намалява необходимото окабеляване, разходите, сложността и възможностите за грешки;

Връзка с шина – полеви шини като CAN, Profibus, Modbus и т. н. позволяват свързване на няколко управляеми устройства на принципа Master/Slave;

Industrial Ethernet – поддържа свързването на изключително голям брой устройства с много висока скорост на трансфер на данни. Налице е широк избор от протоколи, включително Ethernet/IP, EtherCAT, ProfiNET, DeviceNet, CANopen, IO LINK и т.н.

 

Механични изисквания

Преди даден енкодер да може да предостави обратна връзка, той трябва да бъде механично монтиран в системата. Налични са множество опции за монтаж. Основните фактори, които е препоръчително да се вземат предвид, са: наличното пространство, желаната конфигурация, както и механичните характеристики на вала на двигателя и товара, които ще взаимодействат с енкодера.

Според тези показатели преобразувателите могат да бъдат подразделени на такива с твърд (плътен) или с кух вал. Енкодерите с твърд вал изискват свързване с вала на двигателя или товара. Съединителите могат да бъдат с високо ъглово/линейно съответствие и да компенсират осовата хлабина на вала на двигателя, намалявайки износването на лагера. Такава конфигурация обаче може да компрометира способността на системата да предоставя точна обратна връзка.

Енкодерите с кух вал имат едно съществено предимство пред тези с плътен вал, при който е налице пътека за електрическия ток по линията на вала към електронните компоненти. При датчиците с кух вал той реално не е свързан с вала на двигателя. Това елиминира пътя на електрическите импулси по вала и предотвратява повреди по електрониката.

Друго важно механично съображение е изборът на преобразувател с подходящ лагер. Лагерите са най-честите зони, податливи на повреда при енкодерите и могат да доведат до ограничения на скоростта. От съществено значение е да се гарантира, че лагерът може да се справи не само с големината, но и с вида на товара.

Радиалното натоварване оказва по-различни сили от аксиалното, а всяко приложено натоварване повлиява производителността и експлоатационния живот на енкодера, освен ако не е конкретно избран и оразмерен според изискванията на конкретната задача.

В зависимост от приложението безлагерните сензори могат да се окажат по-подходящ избор. Енкодерите с кух вал типично са по-подходящи за изпълнение с безлагерни конструкции. При тях градуираният диск е прикрепен към въртящия се вал на двигателя, докато статичната част на енкодера е прикрепена към лицевата страна на двигателя. В резултат няма нужда от лагерен елемент. Това елиминира този податлив на повреди компонент, който реално представлява и едно от основните ограничения за експлоатационния живот и скоростта на енкодера. Понякога обаче се налагат и съответните компромиси. Тъй като еталонният диск е монтиран към въртящия се вал, радиалното биене и осовата хлабина на вала влияят директно на енкодера. В резултат на това допустимите отклонения е необходимо да са много по-малки.

Производителите на датчици за линейно и ъглово преместване предлагат различни опции за монтаж, включително челни фланци, сервофланци, квадратни фланци за енкодерите с твърд вал , както и тетри (фиксиращи монтажни елементи) за версиите с кух вал. Правенето на полеви модификации е подходящ метод за ефективно адаптиране на енкодера към конструкцията на задвижващата система. Това е подход, който обаче може да предизвика и обратен ефект. Много потребители смятат, че е достатъчно просто да пробият съответните отвори и да наместят енкодера, но пропускат момента, че монтажът всъщност трябва да е изключително прецизен, за да се гарантира декларираната от производителя точност на датчика. Промяната на фабрично обособената монтажна конфигурация не е препоръчителна в никакъв случай.

В обобщение, правилният избор на енкодер според приложението е въпрос на оценка на множество възможности и, разбира се, на необходимите компромиси. Добре е да се отбележи, че на пазара се предлагат както стандартни, така и специфични, проектирани за конкретни приложения енкодери. Изборът на най-подходящо решение може да стане само след събиране на достатъчно информация за приложението.

Важно е видът на преобразувателя и неговата резолюция да бъдат реално съобразени с работната задача, за да не пораждат негативни ефекти в работата на системата.

 

ЕКСКЛУЗИВНО

Top