Сегодня электронные схемы управления становятся неотъемлемой частью электродвигателей большой и средней мощности в автомобильной и промышленной технике. И одним из важных элементов этих схем является датчик углового положения двигателя, который выдает информацию об абсолютном положении ротора. Чтобы выбрать правильный датчик для конкретного применения, необходимо принять во внимание трудности и ключевые свойства систем, для которых должны быть спроектированы эти датчики. Датчики положения вращения электродвигателей должны соответствовать высоким требованиям надежности и точности в суровых условиях, характерных для промышленного применения. Они используются для преобразования информации о вращении двигателей в электрические сигналы. Точность этих данных имеет решающее значение для правильной работы синхронизационной схемы. Получение данных о вращении возможно разными способами и наиболее важные из них используют преобразователи и кодировщики.
Резольверы и кодеры
Резольвер – это аналоговый измеритель угла, похожий по структуре на электродвигатель, называемый вращающимся трансформатором. В его статоре две одинаковые неподвижные вторичные обмотки с осями, направленными под прямым углом друг к другу, а в роторе – одна вращающаяся первичная обмотка.
Принципиальная схема резольвера
На эту обмотку подается переменное опорное напряжение Uod постоянной частоты. Вторичные обмотки статора обеспечивают напряжения, различающиеся по фазе на 90°. Угловое положение вала рассчитывается на основе измерений Us и Uc.
Разделение диска датчика абсолютного вращения на 8 сегментов
Для измерения угла поворота можно использовать три типа энкодеров: абсолютное положение, инкрементальный энкодер с выходом «1» или «0» и инкрементальный синусоидальный энкодер. Датчик абсолютного угла поворота основан на диске, разделенном на несколько сегментов с разными шаблонами. Например, для 3-битного сигнала есть 8 сегментов.
- Абсолютный энкодер отслеживает свое положение предоставляя информацию с момента включения питания. Это полезно когда механизм не используется постоянно, а питание в это время отключено.
- Вращающийся диск инкрементального энкодера генерирует импульсный цифровой сигнал. Он также имеет референтную метку для указания текущего положения вращения, обозначающего нулевой угол. Эталонный импульс, обычно называемый импульсом "Z", использует фотодетекторы электроники для определения точного исходного положения один раз за оборот, создавая "квадратурные" сигналы, которые образуют два потока импульсов, A и B, смещенных во времени на 90° друг другу. Последовательность их генерации позволяет распознать направление вращения измеряемого двигателя. Некоторые энкодеры также выдают инверсные импульсы.
- Инкрементальный энкодер с синусоидальным сигналом выдает синусоидальный сигнал. Он генерирует синусоидальную волну, косинусоидальную волну и контрольную метку, которые обрабатываются в электронной схеме. Эти сигналы значительно отличаются от сигналов синусоидального преобразователя с амплитудной модуляцией. Сигналы энкодера намного выше по частоте и не содержат «несущую частоту».
Какой датчик самый полезный
Двигатель является конечно основой, но многие системы управления требуют, чтобы информация об угловом положении двигателя была тоже очень точной. Контур алгоритма управления принимает сигнал обратной связи от датчика положения для управления током в моторе на каждом этапе его работы. Это управление основано на независимом управлении IGBT-транзисторами, питающими обмотки каждой из этих фаз, что приводит к регулированию тока и, следовательно, вращения двигателя.
Резольверы, соединенные с двигателями, работают при высоких температурах и в условиях тяжелых ударных нагрузок. Размещают электронную схему управления мотором подальше от его магнитного поля и помех. С другой стороны, электронные схемы для обработки сигналов энкодера из-за необходимости укорочения соединений должны располагаться рядом с ним, что увеличивает температуру их работы.
Обмотки резольверов (обычно 6 витков в датчике) требуют хорошей изоляции из-за относительно высокого напряжения подаваемого на электродвигатели, обычно выше 300 В. Резольвер также должен выдерживать высокие температуры. Его цепи обратной связи могут выдерживать температуры выше 125°C, что делает резольвер предпочтительным решением для автомобильных и промышленных устройств, работающих в самых сложных условиях окружающей среды.
Датчик абсолютного положения
Датчик абсолютного положения постоянно сигнализирует о фактическом вращательном положении двигателя. Резольверы выдают уникальные синусоидальные и косинусоидальные сигналы напряжения в каждом положении в диапазоне 360°, поэтому они и являются датчиками абсолютного положения. С другой стороны, сигнал цифрового энкодера может быть абсолютным или инкрементным. Абсолютные энкодеры отправляют данные по последовательной шине данных, такой как SSI (синхронный последовательный интерфейс). Контроллер должен обмениваться данными с приводным двигателем в соответствии с этим протоколом.
Диск оптического датчика положения поворота
Инкрементальные энкодеры не предоставляют абсолютной информации и могут использоваться только для увеличения или уменьшения счетчика положения. Инкрементальный энкодер не сохраняет информацию о положении после отключения питания, даже если память в схеме энергонезависима.
Пользователи мощных двигателей, используемых на транспорте, на практике предпочитают датчики резольвера, потому что во время определения положения вибрации и сильные удары остаются под контролем. Их медные обмотки в пластинчатых сердечниках трансформаторов в стальных корпусах с термостойким покрытием экологически устойчивы. А энкодеры состоят из оптоэлектронных систем оптических стекол в пластмассовых корпусах с эпоксидной связью и являются экологически чувствительными. Из-за ударов и вибрации точность энкодеров там ниже, чем у резольверов. Прозрачный оптический диск, используемый в оптическом кодировщике, подвержен загрязнению пылью, несмотря на меры безопасности.
Для увеличения сопротивления производители энкодеров используют пластиковые или металлические диски и другие более термостойкие компоненты, вместо стеклянных. Механическая изоляция, а также защита от пыли и жира, применяются для повышения устойчивости к ударам и вибрации. Резольверы предлагаются как отдельные элементы, ротор и статор, что позволяет легко подключать их к двигателям.
Датчики в устройствах с высокой точностью
Если один оборот оси, или 360°, то есть 21 600 футов, разделить на 4096 частей (212 при 12 битном разрешении), то каждый график займет 6,27 угловых минут, поэтому точность составляет ± 5,27'. Это наименьший угол поворота вала двигателя который можно зарегистрировать.
Система определения положения вращения электродвигателя с помощью энкодера (слева) и резольвера (справа)
Производители резольверов и энкодеров указывают пределы точности технических данных своей продукции. Точность обычно указывается в долях угла. Указываются предельные отклонения от фактического измеренного угла.
Обычно заявленная точность для бесщеточного резольвера составляет 10 угловых минут. Типичная общая погрешность системы резольвера, включая погрешность датчика и обработки, составляет ± 15,27 минуты (10 минут для датчика и 5,27 минуты, как рассчитано выше). Усовершенствования конструкции и процесса позволяют повысить точность примерно до 3-х минут.
Стандартный резольвер имеет одну катушку, один полюс северный и один южный полюс на один оборот. Больше катушек и больше полюсов повышают точность системы. На точность резольвера также влияет равномерность намотки катушки обмотки.
Их точность зависит и от ровности срезов оптического диска и правильного размещения светоприемника в поворотных энкодерах. С помощью передовых полупроводниковых и фотографических технологий он может быть доведен до 0,5 угловой минуты. Но стоимость кодировщика с большим количеством подсчетов может быть в 10 раз больше, чем стоимость резольвера. Энкодеры с вышеупомянутым 12-битным разрешением ± 5,27' вместе с максимальной ошибкой 0,5' имеют точность ± 5,77, что намного лучше, чем у резольверов.
Легкость внедрения в сложной среде
В устройствах работающих в среде с высоким уровнем электромагнитных помех и высокой мощностью, при проектировании и выборе датчиков необходимо учитывать разность потенциалов вызванную проводкой, расстояние между датчиком и контроллером и колебания потенциала земли в транспортных средствах.
Двигатель должен быть подключен к силовой электронике с помощью экранированных кабелей и разъемов. Эти соединения должны быть как можно короче. Сигнальные и силовые кабели должны быть также развязаны и отфильтрованы.
В оптических энкодерах нельзя использовать магнитные компоненты, чтобы избежать влияния электромагнитных помех генерируемых в цепях управления двигателем. Но датчик резольвера расположен близко к двигателю и вдали от цепей управления мощностью, которые генерируют шум.
Некоторые цифровые преобразователи также выдают цифровые управляющие сигналы (квадратурные и коммутационные), которые напоминают сигналы кодировщика. Использование дифференциальных методов позволяет исключить электронные помехи, наведенные в проводниках. Усовершенствования на аналоговой стороне преобразователя перед преобразованием сигнала в цифровой позволяют отфильтровать общие помехи.
Стоит помнить что двигатель, в зависимости от размещения датчика, может показывать разную величину крутящего момента и его пульсации, что существенно влияет на получаемые результаты.
Надежность и экономичность устройств в сложных условиях окружающей среды определяют выбор в пользу резольвера. А требование очень точного позиционирования способствует внедрению энкодера. Кроме того оптический кодировщик высокого разрешения имеет значительные размеры, что увеличивает его стоимость.
