Контроль перемещения со сверхнизкой скоростью: угловые датчики высокого разрешения

Возьмем, например, длиннофокусную камеру, установленную в кардановом подвесе (который иногда называется системой панорамирования и наклона) для наблюдения за удаленными перемещающимися объектами. Сегодня в таких случаях часто применяются оптические системы с большим зумом, которые четко фокусируются на контрольном объекте на расстоянии до 20 км (рис. 1). Когда этот удаленный объект движется, наблюдение усложняется из-за ограниченного поля зрения и цель может быстро исчезнуть из виду, если камера не будет перемещаться плавно и со строго определенной скоростью.

Рис. 1. Система панорамирования и наклона, которая отслеживает движущийся объект

Если цель движется со скоростью 20 км/ч в диапазоне 20 км, штатив камеры должен вращаться со скоростью 0,05 об/мин — иными словами, чрезвычайно медленно. Для сохранения цели в поле зрения и, предпочтительно, на центральной оптической оси эта низкая скорость должна контролироваться точно и оперативно, в соответствии с изменениями скорости и направления движения цели. Чтобы обеспечивать центральное положение объекта в поле зрения, эквивалентное 0,3 м на дистанции в 20 км, потребуется более 200 тыс. отсчетов, или 18 бит кодированной позиции. Для поддержания плавного движения обычно требуется разрешение в четыре раза выше, что эквивалентно 20 бит.

Традиционным решением такой задачи было бы применение энкодера в составе системы привода и умножение его отсчетов на коэффициент редукции редуктора, подключенного к двигателю. Чем выше редукция передачи, тем больше эффект умножения, но при этом возрастает величина люфта и снижается чувствительность к командам общей сервосистемы. Такая система, как правило, обладает ограниченным динамическим диапазоном и не может отслеживать быстро движущийся объект на коротких (менее километра) расстояниях.

Альтернативным и более современным подходом является использование датчика положения с высоким разрешением на выходном валу редуктора, что позволяет избежать погрешности, связанной с люфтом, и максимизировать динамические характеристики сервопривода. Рассмотрим датчики такого типа от компании Zettlex.

Применение индуктивных энкодеров Zettlex

Семейство индуктивных угловых датчиков IncOder от компании Zettlex обеспечивает высокое разрешение измерения — до 4 млн отсчетов за оборот, что соответствует 22 бит. Энкодеры Zettlex измеряют угол и скорость вращения по тому же физическому принципу, что и резольверы. Благодаря этому можно осуществлять бесконтактное измерение высокого разрешения в жестких условиях эксплуатации.

В то время как в традиционных индуктивных датчиках применяются обмотки из медного провода, увеличивающие вес, габариты, а также стоимость изделия, энкодеры Zettlex изготавливаются по уникальной технологии с использованием гибких печатных плат. Такой подход обеспечивает ряд преимуществ на конструктивном уровне: малый вес, компактность и наличие полого вала большого диаметра, позволяющего проводить кабели, устанавливать токосъемники, валы и другие части конструкции устройства через центральное отверстие колец датчика. Также энкодеры IncOder способны надежно и эффективно работать в загрязненной или влажной среде, исключая необходимость установки пломб или уплотнительных колец для защиты оптических либо емкостных датчиков.

Датчики Zettlex (рис. 2) могут служить точной, экономически выгодной и конструктивно удобной заменой не только классических индуктивных датчиков, но и потенциометров, оптических энкодеров, энкодеров вращения, резольверов, магнитных датчиков и емкостных энкодеров.

Рис. 2. Примеры датчиков вращения от Zettlex

Конструктивное исполнение датчиков вращения IncOder

Чтобы понять принцип работы датчиков Zettlex, рассмотрим индуктивный датчик вращения, представленный на рис. 3. Конструктивно он состоит из двух частей — ротора (мишени) и статора (антенны), каждая из которых имеет форму плоского кольца.

Рис. 3. Индуктивный бесконтактный угловой датчик IncOder от Zettlex: а) миниатюрный энкодер IncOder с внешним диаметром 58 мм; б) расположение статора и ротора энкодеров Zettlex относительно друг друга

Ротор — это печатная плата с набором проводящих дорожек, которая также является пассивной электрической цепью. Чаще всего ротор энкодера монтируется на подвижных элементах конструкции изделия. В связи с этим его также принято называть мишенью.

Статор (антенна) представляет собой плоский массив проводников, выполненных в виде дорожек на печатной плате, которые образуют цепи передачи и приема сигналов.

Конструктивно ротор и статор выполнены в виде двух внешне идентичных плоских колец, заключенных в алюминиевый кожух с одной стороны и залитых специальным составом с другой. Они обеспечивают прочность, герметичность и устойчивость датчика к воздействиям внешней среды.

Электронный модуль датчика содержит блок питания, цепи защиты от перенапряжения, схемы передачи и приема сигналов, микроконтроллер и электрический выходной интерфейс. Как правило, он интегрирован в статор. При необходимости модуль электроники может быть вынесен за пределы датчика и подключен к статору с помощью проводов или гибких шлейфов.

Принцип работы датчиков Zettlex основан на явлении электромагнитной индукции. С помощью электронного модуля на статор подается питание, в результате чего статор генерирует электромагнитное поле. Нахождение мишени в этом поле вызывает возмущения, которые, в свою очередь, детектируются антенной (статором). Формируемый сигнал обрабатывается встроенной электроникой, и на выходе статора появляется сигнал, соответствующий положению мишени относительно оси измерения статора.

Конструкции проводящих рисунков ротора и статора обеспечивают неповторяемость детектируемого сигнала, что дает возможность однозначно определять текущее положение объекта — как в процессе работы, так и в начальный момент измерений при подаче питания на статор.

Технические характеристики энкодеров IncOder

Первые индуктивные энкодеры по собственной технологии компания Zettlex выпустила еще в 2004 г. С тех пор было разработано множество конфигураций, насчитывающих на данный момент более 200 млн вариантов. Инженерам доступен выбор вариаций монтажа энкодера, диаметра, разрешения, разъемов и протоколов передачи информации (табл.). Также в качестве опции они могут приобрести кабели и дополнительные элементы крепления.

В ассортименте компании представлено двенадцать различных вариантов компоновки энкодеров, предусматривающих статоры для крепления винтами или зажимами к сервоприводу, роторы с фиксацией винтами, зажимными винтами и зажимами на вал привода, простые роторы, а также дуплексные статоры и роторы.