Во многих системах управления движением электропривода важно знать ключевые параметры ротора двигателя, такие как его угловое положение, скорость и направление. Одним из важнейших компонентов, который помогает определять эти параметры, является энкодер — дополнительный датчик, который измеряет и передаёт данные о положении ротора контроллеру системы (аналоговому, гибридному аналогово-цифровому или полностью цифровому). Энкодер делает повторяющиеся «снимки» положения через определённые промежутки времени. Используя эту серию данных, контроллер может определить угловую скорость и направление вращения (важно отметить, что термин «энкодер» также используется в отношении многих других электронных схем и компонентов, что может вызвать путаницу).
Эта статья рассматривает основные технологии энкодеров и факторы, которые следует учитывать при выборе устройства для управления двигателем.
Энкодеры: краткий обзор
Не все приложения для двигателей требуют обратной связи от датчиков и соответствующих параметров ротора. Недорогие продукты, такие как игрушки, не нуждаются в энкодерах и не могут себе их позволить. С другой стороны, сложные алгоритмы управления двигателями, использующие векторное управление (FOC), также не требуют энкодера. Однако даже в системах с FOC может потребоваться энкодер для контроля и проверки предполагаемого положения и движения ротора в критически важных приложениях.
Существует четыре широко используемых типа энкодеров для определения положения ротора: оптические, магнитные, на основе электромагнитной индукции (резольверы) и ёмкостные. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, поэтому «правильный» выбор зависит от требований, приоритетов и стоимости приложения.
Некоторые энкодеры могут предоставлять абсолютную информацию о положении ротора, что необходимо в некоторых случаях при включении питания или перезапуске. Другие же предоставляют только относительные данные, что также может быть достаточным для конечного приложения.
Выбор энкодера осуществляется заказчиком двигателя, который интегрирует его в конечный продукт, и обычно энкодер добавляется на этапе производства двигателя на предприятии заказчика. Многие производители двигателей также предлагают свои собственные энкодеры или устройства от сторонних производителей и могут интегрировать их на стадии производства двигателя на своём заводе. Рассмотрим подробнее четыре широко используемых типа энкодеров.
Оптические энкодеры
Оптические энкодеры используют светодиод в качестве источника света, кодовый диск, соединённый с валом, и фотосенсор, поддерживаемый цепью питания для питания светодиода и выходной цепью для формирования чистых импульсов от сенсора.
Оптические энкодеры бывают двух типов. В проходном дизайне светодиод и сенсор расположены по разные стороны от кодового диска; в отражающем дизайне они находятся на одной стороне. Отражающий дизайн тоньше, но требует более точного выравнивания и может иметь более низкое отношение сигнал/шум (SNR) по сравнению с проходным.
Ключевым элементом является кодовый диск — это тонкий стеклянный или пластиковый диск с нанесённым узором из непрозрачных линий, которые не пропускают свет, и прозрачных участков, через которые свет проходит. В отражающем дизайне непрозрачные области являются отражающими. По мере вращения кодового диска фотосенсор формирует последовательность импульсов, соответствующих движению диска. Разрешение кодового диска может достигать 1024 импульсов за оборот (PPR) или даже 4096 PPR.
Базовый оптический энкодер является инкрементным датчиком и показывает только относительное движение. Для определения направления вращения используется второй оптический трек, смещённый на 90° (квадратура) относительно первого трека, с дополнительным сенсором.
Для получения абсолютного положения применяются два подхода. В одном случае добавляется третий трек кодового диска с единственным индексным маркером, который срабатывает один раз за оборот, задавая начальную точку. В другом подходе используется диск с несколькими треками и различными узорами, создающими уникальный код для каждого положения, что необходимо для точного определения положения при включении питания.
Оптические энкодеры популярны благодаря простой конструкции, лёгкости подключения и высокому разрешению. Однако у них есть недостатки: хрупкость из-за диска, подверженность загрязнению пылью и грязью, а также умеренное энергопотребление.
Магнитные энкодеры
Существует несколько типов магнитных энкодеров. В одном из широко используемых вариантов постоянный магнит крепится к концу вала ротора, а магнитные сенсоры размещаются поблизости для считывания магнитного поля. Когда постоянный магнит вращается вместе с валом двигателя, направление магнитного поля, обнаруживаемое сенсорами, изменяется.
Измеряя относительную силу магнитного поля, энкодер определяет угловое положение и скорость вращения вала двигателя. Для этого используются два датчика Холла, расположенные перпендикулярно друг другу: один измеряет компонент по оси X (Bx), другой — по оси Y (By).
Используя стандартные тригонометрические зависимости, два сигнала демодулируются для определения угла вала. Это может выполняться аналоговой схемой или численно, с использованием оцифрованных значений компонентов по осям X и Y.
Магнитные энкодеры могут достигать разрешения до 4000 PPR и достаточно надёжны для использования в условиях пыли, масла и влаги. Однако они подвержены влиянию сильных внешних магнитных полей, например от двигателя или проводов.
Другой, менее распространённый тип магнитных энкодеров использует кодовый диск с чередующимися северными и южными полюсами магнитов на внешнем крае. Сенсор фиксирует изменения полярности магнитного поля при прохождении полюсов. Этот дизайн имеет более низкое разрешение, но может быть достаточным в некоторых приложениях. Поскольку светодиод и фотосенсор не используются, магнитный энкодер потребляет меньше энергии по сравнению с оптическим.
Резольверы
Резольвер — это совершенно иной тип энкодера, основанный на магнитных принципах. Этот вращающийся трансформатор определяет угол и скорость перемещения ротора с использованием схемы, аналогичной маленькому синхронному двигателю.
Переменный ток (обычно около 10 кГц) подаётся на ротор и выполняет функцию первичной обмотки. Статор имеет две вторичные обмотки, расположенные под углом 90° друг к другу, называемые синусоидальной и косинусоидальной. При вращении ротора изменяются сигналы на вторичных обмотках. Эти изменения демодулируются для получения абсолютного положения с использованием тригонометрических зависимостей.
Несмотря на свои размеры, вес и сложность интерфейсных схем, резольверы ранее широко использовались в условиях экстремальных нагрузок, например в инерциальных платформах ракетных систем наведения, благодаря своей точности и надёжности. В то время они были единственным вариантом для определения углового положения, хотя и более громоздким, дорогим и энергоёмким по сравнению с современными решениями.
Как правило, резольверы выдают аналоговые синусоидальные сигналы, а энкодеры — цифровые выходные сигналы. Поэтому для получения нужной информации о движении требуется различная схема декодирования. Выходной сигнал энкодера более совместим с современной электроникой и проще в использовании в системах управления двигателями.
Ёмкостные энкодеры
Технология ёмкостных энкодеров представляет собой относительно новую систему для определения вращения, хотя она уже много лет используется в цифровых штангенциркулях высокой точности и низкой стоимости. В этой системе ротор имеет проводящий синусоидальный узор по периметру, стационарный передатчик и приёмник. При вращении модулируется высокочастотный опорный сигнал передатчика. Энкодер фиксирует изменения ёмкостной реактивности на приёмной плате и переводит их в приращения вращательного движения с использованием алгоритма демодуляции.
Поскольку светодиод не используется, ёмкостные энкодеры имеют более длительный срок службы, меньшие размеры и более низкое энергопотребление (обычно от 6 мА до 18 мА), чем оптические. Они также менее подвержены воздействию магнитных помех и электрических шумов. Однако воздушные загрязнители могут повлиять на ёмкостную связь и, следовательно, на стабильность работы.
Выбор «лучшего» энкодера
Энкодеры с высокими характеристиками доступны для различных приложений. Учитывая множество вариантов, определить «правильный» или лучший энкодер для конкретного применения бывает сложно. Решение включает такие факторы, как разрешение, интерфейсы, энергопотребление, физическая прочность, устойчивость к электромагнитным помехам (EMI), размер и стоимость.
Производители определённых типов энкодеров, естественно, утверждают, что их устройства лучшие, но реальность более сложна. Для каждого общего утверждения об энкодерах существуют многочисленные исключения из правил.
Хотя сравнительная таблица характеристик каждого типа энкодеров кажется полезной, она потребует множества сносок для объяснения исключений. На практике выбор энкодера требует тщательного анализа доступных вариантов, сопоставления их с целями проекта, приоритетами и компромиссами, которые необходимо учитывать при выборе типа энкодера.