Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №1

Магнитные датчики угла поворота EcoTurn

Гауф Александр (Alexander Hauf)  
Гусева Анна  

В статье представлены технические характеристики новой серии недорогих магнитных датчиков угла поворота (энкодеров) EcoTurn, которые производит компания MEGATRON Elektronik AG&Co (Германия).

Общие свойства датчиков на эффекте Холла

В основе датчика угла поворота на эффекте Холла — сенсорный массив элементов Холла, интегрированный вместе с электронными схемами в одной интегральной схеме. При взаимодействии с вращающимся магнитом датчик производит измерение его углового положения. По точности и разрешению магнитные датчики уступают, например, фотоэлектрическим, однако просты в реализации, менее требовательны к условиям эксплуатации и размерам конструкции. В связи с этим в настоящее время бесконтактные магнитные датчики угла поворота на эффекте Холла все больше заменяют оптические датчики и прецизионные потенциометры.

Магнитные датчики угла поворота серии EcoTurn компании MEGATRON

Одной из новейших разработок специалистов из группы компаний MEGATRON стала экономичная серия датчиков EcoTurn — бесконтактные программируемые абсолютные и инкрементальные магнитные датчики угла поворота. Современные интегральные схемы с датчиками Холла в сочетании с особыми магнитами и RISC-процессорами обеспечивают программируемую настройку выходных сигналов и интерфейса. Примененная в датчиках бесконтактная технология определения вращения магнитного поля предлагается в качестве достойной альтернативы потенциометрам на проводящем пластике: она более устойчива к воздействию вибрации и других неблагоприятных факторов.

Конструкция энкодеров EcoTurn

Энкодеры EcoTurn выпускаются в экономичном пластиковом корпусе диаметром 22 и 28 мм (рис. 1). Любая версия может быть изготовлена в трех типах корпуса: с втулкой, крепежным фланцем (рис. 2) или в сборной версии KIT (рис. 3, 4) (закрепление магнита на вращающихся деталях заказчика).

 Энкодер с втулкой (корпус 22 мм и 28 мм)

Рис. 1. Энкодер с втулкой (корпус 22 мм и 28 мм)

 Энкодер с фланцем: а) корпус 22 мм; б) корпус 28 мм

Рис. 2. Энкодер с фланцем: а) корпус 22 мм; б) корпус 28 мм

 Энкодер KIT: а) корпус 22 мм; б) корпус 28 мм

Рис. 3. Энкодер KIT: а) корпус 22 мм; б) корпус 28 мм

 Схема сборки энкодера KIT-версии

Рис. 4. Схема сборки энкодера KIT-версии

Серия EcoTurn разделена на три группы:

  • ENA — абсолютные с аналоговым выходом (в качестве замены прецизионным потенциометрам);
  • ENI — с инкрементным выходом (в качестве замены оптоэлектронным датчикам);
  • ENS — абсолютные с SPI и SSI.

ENA.  Абсолютные энкодеры EcoTurn с аналоговым выходом

На выходе датчика переменное напряжение или переменный ток подается пропорционально положению вала/оси на полный диапазон угла 360° или поддиапазон. Электроника бесконтактных датчиков гарантирует устойчивый уровень сигнала и низкое значение отклонения от линейности (0,5%).

Дополнительные программируемые функции для аналоговых энкодеров EcoTurn (табл. 1):

  • Эффективный электрический угол (EA1) (рис. 5):
    • Электрический ноль без привязки.
    • Программируемый диапазон измерений от 20° до 360°.
    • Механический угол превышает электрический угол или равен ему.
    • В версии с упором нулевая точка находится против часовой стрелки.
    • По запросу нулевая точка по часовой стрелке.
  •  Эффективный электрический угол

    Рис. 5. Эффективный электрический угол
  • Программирование нулевой точки (EA2) (рис. 6):
    • Выставленная механическая нулевая точка (отмечена на корпусе датчика).
    • Электрический ноль может быть выровнен с механической нулевой точкой.
    • Может быть запрограммировано любое смещение нулевой точки.
     Программирование нулевой точки

    Рис. 6. Программирование нулевой точки
  • Установка центра (EA3) (рис. 7):
    • Эффективный электрический угол выровнен с механической нулевой точкой.
    • Одинаковый эффективный электрический угол в обоих направлениях вращения.
    • Центральная точка может быть запрограммирована при любом смещении.
     Установка центра

    Рис. 7. Установка центра
  • Многоточечное программирование (EA4) (рис. 8):
    • От 3 до 6 восходящих или горизонтальных линейных секторов.
    • Минимальный и максимальный уровень сигнала может быть определен в пределах общего электрического угла.
    • Первый и последний линейные секторы всегда горизонтальные.
    • От 1 до 3 устанавливаемых точек калибровки.
      Пример. Исходная точка: 20°/2 В; точка A: 120°/2,5 В; точка B: 200°/3,5 В; точка C: 250°/5,5 В. Конечная точка: 340°/8 В.
     Многоточечное программирование

    Рис. 8. Многоточечное программирование
  • Функция переключения (EA5) (рис. 9):
    • Функция переключения, назначенная к любому угловому положению.
    • Два потенциально свободных релейных выхода (открыто/закрыто 60 В/0,5 А 300 мВт), только для серии ENA28.
     Функция переключения

    Рис. 9. Функция переключения
  • Направление вращения (EA6) (рис. 10):
    • Стандартное направление вращения по часовой стрелке.
    • Изменение направления вращения на направление против часовой стрелки.
  • Направление вращения

    Рис. 10. Направление вращения

Таблица 1. Характеристики аналоговых датчиков EcoTurn

Электрические параметры
Электрический угол поворота Стандартный 360°
Программируемый 0–20°… 0–360° ±1°
Разрешение 4096/оборот (12 бит)
Частота обновления 1 мс
Напряжение питания / выходной сигнал 15–30 В / 0–10 В
9–30 В / 0–5 В
5 В ±10% / 0–5 В
5 В ±10% / ШИМ
9–30 В / 4–20 мА
9–30 В / 0–20 мА
Механические параметры
Механический угол поворота 360°, 320°+5°/–0° (с упором)
Дополнительно, с упором: 90°,180°, 270°
Максимальная скорость вращения 800 об./мин. (латунный подшипник)
4000 об./мин. (полимерный подшипник)
Срок службы >10 млн оборотов (латунный подшипник)
>25 млн оборотов (полимерный подшипник)
Другие
Степень защиты IP65 (с дополнительным уплотнением вала)
Рабочий диапазон температур –40…+85 °С

ENS.  Абсолютные энкодеры EcoTurn с интерфейсом SSI, SPI

Интерфейс SSI

С помощью интерфейса SSI (рис. 11, табл. 2) абсолютное угловое положение вала передается синхронно на принимающее электронное устройство, имеющее ввод SSI (индикатор ПЛК и т. д.). Основные преимущества интерфейса SSI: передача сигнала на большие расстояния, мало линий передачи данных. Фактическое угловое положение выдается в 2-битном коде Грея, с разрешением 12 бит на 360°. Принимающая электроника обеспечивает импульсные последовательности и тем самым определяет скорость передачи данных. С первым сигналом последовательности импульсов угловое положение определяется и сохраняется. Последующий повышающийся пилообразный сигнал управляет побитной передачей данных. После небольшой паузы может передаваться новое значение углового положения.

Схема соединения SSI для EcoTurn

Рис. 11. Схема соединения SSI для EcoTurn

Таблица 2. Характеристики датчиков EcoTurn с интерфейсами SSI, SPI

Электрические параметры
Электрический угол поворота 360°
Разрешение / 360° 14 бит для SPI
12 бит для SSI
Частота SPI: 5 кГц
SSI: 10 кГц
Напряжение питания 5 В ±10%
9–30 В
Механические параметры
Механический угол поворота 360°, 320°+5°/–0° (с упором)
Дополнительно: 90°,180°, 270°
Максимальная скорость вращения 400 об./мин. (латунный подшипник)
4000 об./мин. (полимерный подшипник)
Срок службы >10 млн оборотов (латунный подшипник)
>25 млн оборотов (полимерный подшипник)
Другие
Степень защиты IP65 (с дополнительным уплотнением вала)
Рабочий диапазон температур –40…+85 °С
Интерфейс SPI

Последовательный периферийный интерфейс (SPI) является системой шин для последовательной синхронной передачи данных между различными интегральными схемами. Шина состоит из трех линий, MOSI–MISO (Master Out — выход из активного устройства, Slave In — вход в зависимое устройство; Master In — вход в активное устройство, Slave Out — выход из зависимого устройства), SCLK (Serial Clock — последовательная синхронизация, выход из активного устройства) и SS (Slave Select — выбор зависимого устройства). Информация об угловом положении рассчитывается за 350 мкс и доступна для активного устройства по требованию. Для шины SPI нет фиксированного протокола. Тем не менее многие микроконтроллеры интегральных схем имеют вход SPI. Запрограммировав микроконтроллер интегральной схемы, можно управлять несколькими SPI-совместимыми датчиками с помощью одного микроконтроллера.

Дополнительно для датчиков EcoTurn с SPI (рис. 12, табл. 2) возможно исполнение с двумя отдельными разделенными гальваническими схемами в одном корпусе. Обе схемы обладают полным функциональным объемом в отдельном исполнении и кроме всех описанных опций могут иметь наряду с выходом SPI запрограммированные функции аналогового сигнала.

Схема соединения SPI для EcoTurn

Рис. 12. Схема соединения SPI для EcoTurn

Двухканальная микросхема

Рис. 13. Двухканальная микросхема

ENI.  Инкрементальные энкодеры EcoTurn

А и В — квадратурные сигналы, сдвинутые на 90°, а сигнал Z — контрольная метка. Один оборот генерирует N импульсов сигналов А и B. Сигнал контрольной метки производится один раз за оборот. Ширина импульса Z — 1/4 квадратурных сигнала, совпадает с пиком А и B. Устройства серии ENI (табл. 3) могут заменить оптические инкрементальные датчики.

Таблица 3. Характеристики инкрементальных датчиков EcoTurn

Электрические параметры
Количество импульсов 1–128, 256, 512, 1024 импульса/оборот
Каналы A, B, Z
Выходной сигнал Open Collector, TTL
Частота максимальная 500 кГц
Напряжение питания 4,5–5,5 В
9–30 В
Механические параметры
Механический угол поворота 360°, 320°+5°/–0° (с упором)
Дополнительно: 90°,180°, 270°
Максимальная скорость вращения 800 об./мин. (латунный подшипник)
4000 об./мин. (полимерный подшипник)
Срок службы >10 млн оборотов (латунный подшипник)
>25 млн оборотов (полимерный подшипник)
Другие
Степень защиты IP65 (с дополнительным уплотнением вала)
Рабочий диапазон температур –40…+85 °С

Дополнительные опции для инкрементальных энкодеров EcoTurn:

  • В пределах от 1 до 128 может быть запрограммировано любое количество импульсов.
  • Выходной сигнал PushPull для ENI28.
  • В отличие от оптических инкрементальных датчиков, устройства серии ENI в состоянии обеспечить информацию об абсолютном положении оси датчика после включения питания посредством показателей степени квадратурных сигналов.

Условные обозначения параметров для заказа приведены в таблице 4.

Таблица 4. Условные обозначения для заказа

Без упора 360° OCW360
С упором (для корпуса с втулкой)
90°, 180°, 270°
SCW90, SCW180, SCW270
Нулевая отметка на корпусе N
Крутящий момент для оси:
легкий, средний, тяжелый
LT, MT, HT
Уплотнитель оси (IP65) D
Длина оси (до 50 мм) A..
Длина кабеля CV…
Полимерный подшипник P
Питание/выход
5 В/0–5 В 0505
9–30/0–5 В DC05
15–30 В/0–10 В 2410
9–30 В/4–20 мА 2442
9–30 В/0–20 мА 2402
5 В/ШИМ 0505PWM
5 В/SPI 05SPI
5 В/SSI 05SSI
9–30 В/SSI 24SSI
5 В/TTL 05TTL
5 В/Open Collector 05OC
9–30 В/Open Collector 24OC

Примеры обозначения

ENA22 B 1 DC05 SCW90 HT D A30 CV1,2

Датчик EcoTurn с аналоговым выходом, корпус 22 мм, питание 9–30 В, выходной сигнал 0–5 В, с упором, угол 90°, по часовой стрелке, с крутящим моментом оси HT, с уплотнительным кольцом, длиной оси 30 мм, длиной кабеля 1,2 м.

ENI22B 1 512 05 BZ TTL N P LT A30 CV0,1

Датчик EcoTurn инкрементальный, корпус 22 мм, 512 импульсов на оборот, питание 5 В, выход TTL, нулевая отметка, полимерный подшипник, с крутящим моментом LT, длиной оси 30 мм, длиной кабеля 0,1 м.

Кроме стандартных, доступны специальные опции, которые представлены в таблице 5.

Таблица 5. Специальные опции для заказа

Без антиротационного штифта (для корпуса с втулкой) MS1
С упором, другие углы MS2
Специальная форма оси MS3
Специальная форма корпуса и способ монтажа MS4
Корпус из µ-металла для магнитной защиты MS5
Специальный кабель или разъем MS6
Специальная втулка, форма, размер MS7

Особенности энкодеров серии EcoTurn

Перечислим главные особенности:

  • Три варианта исполнения: ENI — инкрементальные до 1024 импульсов на оборот, ENA — абсолютные аналоговые, ENS — абсолютные цифровые, SSI, SPI.
  • Программируемый диапазон измерений: 0°–20°… 0°–360° (аналоговый выход).
  • Множество дополнительных программируемых функций и механических опций позволяют создавать особые решения для заказчика.
  • Дополнительно: двухканальный выход для аналоговых и SPI.
  • Диаметр корпуса — 22 или 28 мм. Это экономит пространство и позволяет монтировать датчик в условиях нехватки места.
  • Три варианта монтажа (корпус с втулкой, с фланцем, KIT) для удобства установки.
  • На экранированные версии не влияют сильные окружающие магнитные поля.
  • Особые формы вала по запросу.
  • Особая длина вала по запросу (max 50 мм).
  • Три степени крутящего момента для вала (корпус с втулкой).
  • Степень защиты IP65 (уплотнительное кольцо).
  • Срок службы — до 25 млн оборотов вала (полимерный подшипник).
  • Невысокая стоимость, цена сопоставима с ценой на потенциометр.

Заключение

Группа компаний MEGATRON более 50 лет специализируется на производстве датчиков угла поворота и имеет широкий ассортимент датчиков со стандартными и специальными характеристиками. Магнитные энкодеры EcoTurn отличаются от аналогичной продукции широким спектром механических и электрических характеристик, невысоким уровнем цен, которые сопоставимы с ценами на экономичный прецизионный потенциометр.

Магнитные датчики угла поворота (энкодеры) EcoTurn могут заменить потенциометры, а также оптоэлектронные инкрементные и абсолютные датчики. Благодаря большому разнообразию механических и электрических характеристик, их можно использовать практически в любой автоматизированной и управляющей системе, в которой требуется определение угла поворота или скорости вращения.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке