Датчики обратной связи приводов мехатронных модулей

Датчики обратной связи позволяют отслеживать угловую скорость вращения двигателя и размер линейного перемещения исполнительного органа с целью необходимой коррекции работы двигателя системой управления при отклонении показаний датчиков от нормы.

Датчики могут быть аналоговыми и цифровыми.

Преобразователь АНАЛОГ-КОД (ПАК) необходим лишь в случае ис­пользования в приводе аналогового датчика обратной связи. Наибольшее распространение среди аналоговых устройств получили индукционные фазовращательные и потенцио- метрические датчики. При этом в первом случае физическая реализация связана c определением сдвига между фазами аналоговых сигналов, поступающих из датчика в зависимости от угла поворота ИЭ, и преобразованием его в унитарный или циф­ровой код. Во втором случае применяют, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), преобразующие напряжение, снимаемое с потенциометра, в соответствующий цифровой код.

В последнее время часто используют датчики дискретного типа (импуль­сные и кодовый), не требующие применения ПАК в системе управления. Это не означает, однако, что полностью отпадает необходимость в устройствах сопряжения с управляющей микроЭВМ. В этом случае они должны осуществлять согласование параметров сигналов со стандартом шины микро-ЭВМ (или МК) и при необходимости буферизацию данных.

Часто на выходных валах приводов ПР устанавливают тормозные муфты (ТМ), позволяющие жестко фиксировать поло­жение выходного вала привода при торможении. Управление такими муфтами осуществляется дискретными сигналами с помощью специального блока электроавтоматики (БА).

В качестве датчиков используют энкодеры, тахогенераторы и т.д.

Энкодер / преобразователь угловых перемещений - устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота.

Энкодеры подразделяются на инкрементальные и абсолютные, которые могут достигать очень высокого разрешения.

Инкрементальный энкодер выдает за один оборот определенное количество импульсов. А абсолютные энкодеры позволяют в любой момент времени знать текущий угол поворота оси, в том числе и после пропадания и восстановления питания. А многооборотные абсолютные энкодеры, кроме того, также подсчитывают и запоминают количество полных оборотов оси.

Энкодеры могут быть как оптические, резисторные, так и магнитные и могут работать через шинные интерфейсы или промышленную сеть.

Инкрементальные энкодеры предназначены для определения угла поворота вращающихся объектов. Они генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют посредством подсчёта импульсов от старта. Для вычисления угловой скорости объекта процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга (парафазные импульсы), что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

Абсолютные энкодеры, как оптические, так и магнитные имеют своей основной рабочей характеристикой число шагов, то есть уникальных кодов на оборот и количество таких оборотов, при этом не требуется первичной установки и инициализации датчика. Поэтому абсолютные энкодеры не теряют свою позицию при исчезновении напряжения.

Рисунок 1.19 - Кодовый диск абсолютного энкодера

Абсолютный энкодер относится к типу энкодеров, который выполняет уникальный код для каждой позиции вала. В отличие от инкрементного энкодера, счетчик импульсов не нужен,т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал как во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера отличается от диска пошагового энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

Однооборотными ( Single - Turn ) датчиками называются датчики, которые выдают абсолютное значения в пределах одного оборота, т.е. в радиусе 360°. После одного оборота код является полностью пройденым и начинается опять с его начального значения. Эти датчики служат, преимущественно, для измерения угла поворота и применяются, например, в антенных системах, эксцентричных коленчатых пресах и т.д.

Линейные перемещения предполагают необходимым применение измерительной системы с n -количеством оборотов. Например, при линейных приводах или при задачах измерения с помощью зубчатой измерительной штанги, применение однооборотных датчиков является неприемлемым. В этом случае приходят на помощь датчики, где дополнительно к измерению угла поворота в пределах одного оборота также происходит регистрация количества оборотов с помощью дополнительно встроенного передаточного механизма, т.е. своего рода редуктора из нескольких кодовых оптических дисков, образуя, таким образом, многооборотный энкодер ( Multi - Turn ).

Оптические энкодеры имеют жёстко и закреплённый соосно валу стеклянный диск с прецизионной оптической шкалой. При вращении объекта оптопара считывает информацию, а электроника преобразовывает её в последовательность дискретных электрических импульсов. Абсолютные оптические энкодеры — это датчики угла поворота, где каждому положению вала соответствует уникальный цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические энкодеры, так же как и инкрементальные энкодеры, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска.

Магнитные энкодеры с высокой точностью регистрируют прохождение магнитных полюсов вращающегося магнитного элемента непосредственно вблизи чувствительного элемента, преобразуя эти данные в соответствующий цифровой код.

Основные понятия и методологии проектирования мехатронных систем (МС)