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 2^n-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.

Резольверы

Резольвер (рис. 7.18) служит для определения абсолютного положения вала двигателя внутри оборота и скорости его вращения. Это надежное устройство с невысокой точностью, способное работать при высокой температуре и вибрациях.

Рис. 7.18. Резольвер

При отключении питания информация о позиции не теряется. Используется резольвер, например, для управления синхронным вентильным электродвигателем.

Резольвер работает по принципу вращающегося трансформатора. Ротор резольвера закреплен на валу двигателя, а его статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90 градусов. При вращении ротора резольвер генерирует два аналоговых выходных сигналаU₁ и U₂ (синусоидальный и косинусоидальный), которые зависят от углового положения ротора и позволяют это положение определить.

Датчики скорости

Датчики скорости используют один из двух основных методов измерения скорости: электродинамический или импульсный. В основе их работы лежат те же физические эффекты, что и в датчиках перемещения и угла поворота. Электродинамический метод связан с возникновением ЭДС в контуре, относительно которого перемещается источник магнитного потока (индуктор). Импульсный метод предполагает определение скорости по частоте импульсов, генерируемых при относительном перемещении объекта и датчика. В принципе, имеется также теоретическая возможность определения скорости путем дифференцирования сигнала датчика перемещений или интегрирования сигнала акселерометра, но на практике эти методы используются редко.

В электроприводах датчики скорости используются для измерения угловой скорости вращения ротора, а в пневмо- и гидроприводах – для определения линейной скорости перемещения штока.

Датчики угловой скорости

В качестве аналогового датчика угловой скорости часто используется тахогенератор, который, как правило, представляет собой генератор постоянного тока с закрепленными на роторе постоянными магнитами и подключенной к выходу датчика статорной обмоткой. При вращении ротора в обмотке статора наводится ЭДС пропорциональная скорости вращения ротора.

В импульсном датчике измерении угловой скорости вала обычно используется специальный элемент (диск с отверстиями, шестерня с зубцами, колесо с лопатками), имеющий характерные «метки», на которые и реагирует датчик, выдавая импульсы. По-существу, это датчик угла поворота.

Индуктивный датчик скорости (рис. 7.19) состоит из двух магнитопроводов: ротора 3 и статора 4. На внутренней поверхности статора и наружной поверхности ротора нарезаны мелкие зубцы 1 и 2. Между вершинами зубцов имеется небольшой зазор порядка 0,1 мм. Количество зубцов на роторе и статоре одинаково.

Рис. 7.19. Индуктивный зубцовый датчик угла и угловой скорости:

1 – зубцы на роторе; 2 – зубцы на статоре; 3 – магнитопровод ротора;
4 – магнитопровод статора; 5 – обмотки сигнальная и подмагничивания;
6 – магнитный поток

Внутрь статора заложены обмотки сигнальная и подмагничивания. При включении обмотки подмагничивания образуется магнитный поток 6, проходящий через зубцы статора и ротора. Если вращать ротор, поток будет пульсировать с частотой кратной скорости вращения ротора и числу зубцов. При этом в сигнальной обмотке будет наводиться пульсирующая ЭДС, формирующая сигнал датчика.

Ротор и статор в этом датчике можно поменять местами, магнитопровод 3 сделать неподвижным и обмотки разместить на нем.

На рис. 7.20 представлен принцип действия и схема датчика скорости вращающегося вала на основе эффекта Холла [3], явления возникновения поперечной разности потенциалов U, называемой также холловским напряжением, при помещении пластины d с постоянным током I в магнитное поле B.

U

Рис. 7.20. Датчик угловой скорости на основе эффекта Холла

В оптических датчиках угловой скорости используется эффект модулирования светового потока от источника к приемнику при похождении прозрачных и непрозрачных секторов диска, расположенного на вращающемся валу.

Можно в качестве датчика скорости использовать инкрементные энкодеры.

Датчики линейной скорости

Датчики линейной скорости построены на принципе электромагнитной индукции. В соответствии с законом Фарадея при приближении магнита в катушке индуктивности возникает напряжение, пропорциональное их относительной скорости и напряженности магнитного поля. Схема датчика линейной скорости приведена на рис. 7.21.

Рис. 7.21. Датчик линейной скорости:

1 – постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – обмотка

Датчик содержит постоянный магнит 1, магнитопровод 2 и обмотку 3. Магнитопровод образует кольцевой воздушный зазор, в котором размещена кольцеобразная обмотка. Если подвижный объект связан с магнитом, то при его перемещении в катушке наводится ЭДС, пропорциональная скорости объекта. Максимальное перемещение для подобной конструкции составляет несколько миллиметров, чувствительность — порядка 1 В/(м/с), отклонение от линейности — около ±10 %.

Для регистрации более значительных перемещений используют растровые датчики типа ЛИР (рис. 7.22).

Рис. 7.22. Схема растрового датчика типа ЛИР:

1 – шкала; 2 – плата фотоприемников; 3 – растровый анализатор; 4 – плата осветителей

В основу работы датчиков ЛИР положен метод оптоэлектронного сканирования штриховых растров. При относительном перемещении шкалы 1 и анализатора 3 модулируется (изменяется) излучение от платы осветителей 4, которое воспринимается фотоприемниками 2. В качестве меры длины используется линейная шкала, являющаяся носителем регулярного и кодового растров. Возможность нанесения штрихов растров с субмикронной точностью на материалы с заданным коэффициентом линейного расширения, а также стабильность их геометрического положения позволяют создавать преобразователи высокой точности. Кроме того, подобные датчики имеют хорошую степень защищенности к внешним воздействиям.