Snímače polohy a otáček v praxi

Snímače polohy a otáček v praxi

Příspěvek v první části popisuje princip činnosti optoelektronických snímačů polohy, jejich konstrukci, předkládá rozbor přesnosti snímačů a doporučuje způsoby montáže a elektrické výstupy. V druhé části, která bude uveřejněna v následujícím čísle, se bude podrobněji věnovat různým způsobům montáže, bude rozebírat riziko poškození snímačů indukovanými proudy a na závěr budou uvedeny možnosti připojení snímačů na průmyslové sběrnice. Příspěvek vznikl jako tutoriál pro uživatele optoelektronických snímačů polohy švédské firmy Leine & Linde.

1. Optická část snímačů

1.1 Optické snímání polohy
Základní součástí optoelektronických rotačních snímačů polohy Leine & Linde (jakož i většiny optoelektronických snímačů jiných výrobců) je kotouč s optickým rastrem (průhlednými a neprůhlednými ryskami) upevněný na hřídeli, která je uložena v precizním ložisku. U firmy Leine & Linde se při výrobě postupuje (a vždy postupovalo) tak, že se rastr vytváří až na kotouči, který již je připevněn na hřídeli. Tímto postupem lze docílit velké flexibility výroby a dodávat snímače s libovolným počtem impulsů v krátkých dodacích lhůtách.

Natočení kotouče s rastrem je snímáno pomocí fotodiod, které jsou osvětlovány diodou LED. Aby bylo možné zaručit dostatečnou přesnost snímače, je nutné v optické cestě instalovat pevnou, nepohyblivou clonu. Kdyby tato clona měla jen jediný otvor, musela by jeho šířka odpovídat šířce rysek pohyblivého kotouče. Šířka clony by se tedy při zjemňování dělení na pohyblivém kotouči zmenšovala a u snímačů s velkým rozlišením by na fotodiodu dopadal jen velmi malý světelný tok. Tomu se lze jednoduše vyhnout. Použije se více clon, které se „poskládají“ vedle sebe tak, aby jejich rozteč odpovídala rozteči rysek na pohyblivém kotouči. Celková šířka této vícenásobné clony by měla být alespoň taková, aby pokrývala celou aktivní plochu snímací fotodiody. Amplituda světelného toku tak není závislá na dělení kotouče.

V praxi se používají čtyři takovéto vícenásobné clony, které příslušejí čtyřem fotodiodám (obr. 1). Rysky každé jednotlivé clony jsou vůči ryskám sousední clony posunuty o čtvrtinu periody dělení. Na aktivních plochách fotodiod se tak při pohybu kotouče vůči cloně objeví světelný tok sinusového průběhu (teoreticky jde o pilový průběh, „zaoblení“ je způsobeno tím, že hrany rysek nejsou absolutně ostré a jejich poloha a šířka nejsou zcela přesné – pozn. překl.) s amplitudou od nuly do 50 % světelného toku LED (obr. 2). Točí-li se kotoučem s rastrem vůči pevné cloně, lze vizuálně pozorovat postupné „stmívání“ a „rozsvěcování“ jednotlivých polí jako na obr. 3. Touto optickou soustavou je realizován převod informace o natočení hřídele snímače na modulovaný světelný tok.

Nejjednodušší metoda, jak zpracovat modulovaný světelný tok, je z dvojic fotodiod přivést signály, které jsou navzájem posunuté o 180° elektrických, na komparátor, jehož výstupem bude pravoúhlý signál. Tímto způsobem vzniknou ze čtveřice diod na dvou komparátorech dva pravoúhlé signály posunuté o 90° el. (obr. 4). Posunutí umožňuje rozeznat směr otáčení hřídele. Signály se připojují k čítači, který vyhodnocuje, podle použitého logického vzorce, jeden, dva nebo čtyři impulsy na otáčku (tj. jen vzestupné, nebo i sestupné hrany jednoho nebo obou komparátorů). Říká se, že je použito jednonásobné, dvojnásobné nebo čtyřnásobné vyhodnocení. Snímačem s 2 500 impulsy na otáčku tedy lze rozlišit 2 500, 5 000 nebo 10 000 poloh na otáčku.

Pro další zvýšení rozlišení snímače lze při zpracování sinusových signálů využít interpolaci. Běžná je dvojnásobná, pětinásobná nebo desetinásobná interpolace, ale existují i snímače, které používají až stonásobnou interpolaci.

1.2 Optické snímání referenčního impulsu
Pro mnohé aplikace je nutné, aby snímač generoval jednou za otáčku referenční (nulový) impuls. Šířka tohoto impulsu nesmí být větší než čtvrtina periody dělení inkrementálního rastru, aby byl snímač i při čtyřnásobném vyhodnocení schopen správně určit výchozí pozici, je-li to nutné např. po výpadku napájení nebo vypnutí snímače (obr. 5). Stejně jako u snímání inkrementálního signálu se používají rysky na pohyblivém kotouči a clony, a stejně tak i zde by u jednoduché clony docházelo u jemných dělení k tomu, že by šířka rysky v clonce byla velmi malá a světelný tok na snímací fotodiodě slabý. Zde ale není možné jednoduše poskládat několik clon vedle sebe. Využívá se však jiná možnost, jak signál zesílit. Jak rotující kotouč, tak pevná clona se opatří rastry s různými šířkami rysek navrženými tak, že výsledný světelný tok v určitém úzkém intervalu prudce vzroste.

Například u snímačů s rozlišením mezi 700 a 1 600 ryskami na otáčku se používá rastr se čtyřmi ryskami, který dává ve srovnání s jednoduchou ryskou šířky čtvrt periody šestkrát větší amplitudu světelného toku (obr. 6).

1.3 Optické snímání u absolutních snímačů
Také u absolutních snímačů je možné se setkat s problémem, že světelný tok je u jemných dělení velmi malý. Přitom však nelze použít ani řešení uvedené u inkrementálního rastru, ani řešení používané u referenčního impulsu. Pro snímače s rozlišením do 10 bitů (1 024 poloh na otáčku) lze použít jednoduchou clonku pro každý bit – stopu kotouče (obr. 7). Pro snímače s vyšším rozlišením je třeba hledat jiné cesty, jak signál vyhodnotit.

V absolutním snímači 672 firmy Leine & Linde s rozlišením 12 bitů je např. použit kotouč se speciálním patentovaným kódováním a integrovaný obvod pro dekódování polohy. Tato kombinace umožňuje dosáhnout dostatečné amplitudy světelného toku na fotosenzorech i při velkém rozlišení.

U jiných absolutních snímačů s velkým rozlišením se často používá kombinace absolutního rastru a inkrementálního rastru s vysokým stupněm interpolace, jejichž signály jsou vzájemně synchronizovány. Tímto postupem lze dosáhnout rozlišení 16 bitů i více.

2. Mechanická část

2.1 Přesnost inkrementálních snímačů
Pro vyjádření přesnosti inkrementálních snímačů považujeme za účelné zavést pro fázový posuv elektrických signálů označení elektrický stupeň (° el.). Jedna perioda výstupního signálu odpovídá 360° elektrickým. Celá otáčka snímače představuje (360·N)° el., kde N je počet impulsů na otáčku (ve většině případů – u snímačů bez interpolace – to odpovídá počtu rysek kotouče). (Z fyzikálního hlediska má jednotka rovinného úhlu i fázového posuvu rozměr jedna – pozn. překl.)

Rotační snímače Leine & Linde mají standardní přesnost ±50° elektrických, hrany signálů tedy mohou být posunuty od teoretické přesné úhlové pozice maximálně o (50/N)°. U snímače s 5 000 ryskami na otáčku odpovídá přesnost ±50° el. úhlové nejistotě 0,01°. (Jde o nejistotu úhlu u každé z 20 000 hran obou signálů. Nejvyšší dosažitelné rozlišení při čtyřnásobném vyhodnocení je u tohoto typu snímače 360°/(4·5 000) = 0,018°.) Nejistota úhlu natočení může mít různé příčiny, např. nepřesné vycentrování jinak dokonalého rastrového kotouče.

U snímače s 5 000 ryskami na otáčku s tolerancí ±50° el. může být maximální nesouosost, tj. odchylka středu dělení rastrového kotouče a středu otáčení hřídele, 0,003 mm. Průběh úhlových odchylek vzniklých vlivem nesouososti je při otáčení hřídelí snímače sinusový. Lze si to představit tak, že jedna polovina otáčky je jakoby kratší a druhá delší. Při natočení o polovinu otáčky může být u snímače s tolerancí ±50° el. odchylka měřeného úhlu 180° maximálně 100°/N. To je v případě, že by se podařilo zvolit nejméně příznivou výchozí pozici měření. Všechny ostatní úhlové odchylky způsobené nesouosostí jsou menší, v nejpříznivějším případě je odchylka způsobená nesouosostí nulová.

Ve specifikaci přesnosti je nutné zabývat se také fázovým posuvem signálů. Ten je definován jako fázový odstup shodných hran signálu 1 a signálu 2. Při montáži snímače se nastavuje na nominální hodnotu 90° el. a u standardního snímače musí být za provozu v tolerančním pásmu (90 ± 25)° el. Odstup souhlasných hran sousedních signálů tedy musí být z intervalu (65; 115)° el. Při úvahách o nejistotě měření pomocí rotačního snímače je vždy nutné počítat také s nejistotou nastavení fázového posuvu signálů. Tato chyba má také sinusový průběh s periodou shodnou s periodou signálu.

Firma Leine & Linde u všech snímačů kontroluje úhlové tolerance všech hran pravoúhlých výstupů. Nejvyšší naměřená odchylka je společně se sériovým číslem snímače ukládána do databáze a slouží ke statistickému hodnocení výroby.

Údaj o relativní nejistotě v elektrických stupních má význam jen u snímačů s více než 100 rysek na otáčku. Například u snímače s padesáti ryskami znamená nejistota ±50° el., popř. ±25° el., úhlovou nejistotu ±1°, popř. ±0,5°. Skutečná přesnost snímače s tak nízkým rozlišením je však vždy podstatně lepší, než udává všeobecné toleranční pásmo.

Příklad grafu, který je součástí protokolu o kontrole, jíž procházejí všechny snímače vyrobené firmou Leine & Linde, je na obr. 8.

2.2 Montáž
Snímače polohy, zvláště s velkým rozlišením, je nutné správně namontovat. Obecně platí, že je třeba vždy použít pružnou hřídelovou spojku nebo pružné upevnění snímače. Ložiska ve snímači jsou předepjatá, a tudíž bez mechanické vůle. Spojí-li se pevně hřídel snímače s hřídelí, jejíž natočení se má měřit a jež je uložena s určitou vůlí, jsou ložiska snímače vystavena mechanickému zatížení, které má podstatný vliv na jejich životnost. Ještě horší je situace tehdy, spojí-li se pevně hřídele, které nejsou souosé. V takovém případě vede zatížení ložisek snímače velmi rychle k jejich zničení a v extrémním případě dokonce ke zlomení hřídele.

U snímačů s (plnou) hřídelí je třeba zajistit zvláště přesné nastavení hřídele v radiálním směru. Pružné spojení musí být konstruováno tak, aby případná odchylka v radiálním směru neměla vliv na přesnost určení úhlové polohy. U dynamicky náročných měření je třeba vzít v potaz také tuhost spojky v krutu a její rezonanční frekvenci.

U snímačů s dutou hřídelí musí být hřídel dobře vycentrována vůči otvoru ve snímači a pružná montážní ramena snímače nebo pružná statorová spojka musejí být namontovány bez vůle. Jako příklad uveďme snímač 186 firmy Leine & Linde s dutou hřídelí s 2 048 ryskami na otáčku a s montážními rameny na poloměru 46 mm. Maximální chybě snímače ±50° el. odpovídá tolerance souososti 0,02 mm (popř. házivost 0,04 mm) nebo vůle v upevnění ramen ±0,02 mm. Nebudou-li tyto tolerance při montáži dodrženy, bude snímač při měření vykazovat chyby, které budou větší, než je úhlová nejistota udávaná pro tento typ snímače.

U snímače s dutou hřídelí je třeba počítat také s vlivem vibrací, kterým je snímač vystaven vždy, když při montáži není kompenzována házivost. Například snímač, který byl namontován s házivostí 0,1 mm, je při otáčkách 3 600 min–1 namáhán stálými vibracemi s amplitudou zrychlení 7 m/s2 a frekvencí 60 Hz. Snímač samotný tyto vibrace snese většinou bez problémů, ale může dojít např. k poškození nebo uvolnění přívodního kabelu.

2.3 Životnost
Životnost snímače z velké části závisí na tom, jak je namontován a v jakých podmínkách pracuje. Elektronická a optická část nemají v praxi na celkovou životnost snímače podstatný vliv. Určující je doba života osvětlovací diody a životnost ložisek.

Světelný tok LED s časem klesá, a signály z fotocitlivých prvků uvnitř snímače jsou proto stále slabší. Pokles světelného toku je však pozvolný a projeví se až za relativně dlouhou dobu. Nový snímač je nastaven tak, aby signály z fotodiod byly poměrně silné, popř. je ve snímači automatická regulace, která reguluje světelný tok LED tak, aby úroveň signálů fotodiod byla stále dostatečná. U snímačů s touto regulací je nutné mít dostatečnou rezervu regulačního rozsahu, aby regulátor nepřetěžoval stárnoucí LED ve snaze získat z ní větší světelný tok.

U snímačů se používají uzavřená ložiska s trvalou náplní maziva, a není tedy nutné (ani možné) je za provozu mazat. Je-li snímač správně namontován a provozován, mohou bez problémů pracovat pět až šest let v nepřetržitém provozu. Po této době však musejí být vyměněna.

Jsou-li ložiska snímače mechanicky zatěžována, není jejich životnost omezena degradací maziva, ale opotřebováním ložiska – únavou na povrchu valivých drah. Životnost zatížených ložisek je podstatně kratší než u ložisek nezatížených. V katalogových listech snímačů se obvykle udává maximální přípustné zatížení hřídele, tj. zatížení, při jehož působení bude životnost ložisek snímače 50 tisíc hodin (5,7 roku) při otáčkách přibližně 1 500 min^–1.

Dbá-li se na to, aby nebylo překračováno maximální zatížení hřídele, u stroje pracujícího v obvyklých podmínkách téměř nepřichází v úvahu, že by bylo nutné vyměnit snímač z důvodu předčasného opotřebení jeho ložisek. Na obr. 9 je příklad určení životnosti ložiska v závislosti na radiálním a axiálním zatížení.

3. Rozhraní pro inkrementální snímače

Aby byl přenos signálu ze snímače do vyhodnocovací jednotky bez problémů, musí být shodné výstupní impedance snímače, vstupní impedance přijímače vyhodnocovací jednotky a impedance kabelu. Cílem je, aby se kabel choval jako ohmická zátěž a nedocházelo v něm k odrazům a překmitům.

U 24V systému v podstatě není možné, aby byl odpor přijímače tak malý, že by výstupní proud snímače příliš vzrostl. U 5V systému to však vzhledem k nižšímu napájecímu napětí možné je a je třeba to mít na zřeteli. Výstupními členy snímačů v 5V systému se dále nebudeme zabývat, protože přizpůsobení kabelu snímači a přijímači nečiní problémy, a používají-li se běžné obvody vyhovující standardu RS-422, nemohou se vyskytnout žádné těžkosti.

Je-li vstupní impedance přijímače větší než impedance kabelu, chová se kabel jako kapacitní zátěž. U snímačů polohy je impedance přijímače ve 24V systému téměř vždy větší než impedance kabelu. Kabel, který se chová jako kapacitní zátěž, deformuje náběžné a sestupné hrany signálu a prodlužuje dobu náběhu a sestupu. To, o kolik budou doby náběhu a sestupu deformovány, závisí na schopnosti výstupního členu nabít a vybít kapacitu kabelu. Kapacita kabelu závisí na jeho typu a délce, typická hodnota je např. 100 pF/m. Proud, který musí dodávat výstupní člen snímače, je závislý na těchto faktorech:

• frekvence signálu,
• kapacita kabelu,
• napájecí napětí,
• odpor výstupního členu,
• odpor přijímače.

To je významný rozdíl mezi kabelem, který se chová jako ohmická zátěž, a kabelem s kapacitní složkou: zatímco v prvním případě závisí proud jen na napětí a odporech výstupního členu a přijímače, v druhém případě přibyla závislost na frekvenci signálu a kapacitě (tj. i délce) kabelu.

Celkový proud dodávaný výstupním členem snímače může být v určitých případech až dvojnásobkem proudu, na nějž je dimenzován přijímač. To samozřejmě vede k velkým ztrátám na výstupu snímače.

Dále je třeba brát ohled na to, že v kabelu, kde jsou signály vedeny v žilách, které jsou blízko sebe a jsou vzájemně rovnoběžné, dochází vlivem indukce k vzájemnému rušení. Rušení lze omezit použitím kabelu s žilami po párech splétanými.

Existují dva druhy přenosu signálu, symetrický a nesymetrický. U symetrického přenosu se na přijímač přivádí přímý signál a jeho negace. Vyhodnocuje se rozdíl signálů (obr. 10). Tím je významně potlačen vliv rušení. U nesymetrického přenosu je třeba méně žil v kabelu, méně vstupů v přijímači vyhodnocovací jednotky, ale odolnost proti rušení je podstatně horší (obr. 11).

24V inkrementální snímače od Leine & Linde mají tři druhy výstupních členů: zdroj proudu s omezovačem, výstup s termistorem a linkový budič. Všechny výstupy jsou dvojčinné (push-pull) – výstupní člen řídí nárůst i pokles proudu.

3.1 Zdroj proudu s omezovačem
Tento výstup je použit např. u typu 521 ze sortimentu Leine & Linde. Výstupní proud snímače je při svém nárůstu (v době, kdy je výstup zdrojem proudu) omezen na 19 mA. V době, kdy proud klesá, ale žádné proudové omezení není.

Výhodou tohoto výstupu je to, že přijímač vyhodnocovací jednotky může mít malou impedanci a tak lze snadno přizpůsobit impedanci přijímače impedanci kabelu.

Naproti tomu, nejsou-li impedance kabelu a impedance přijímače přizpůsobeny, je doba náběhu hrany signálu extrémně dlouhá, protože proud, jímž je nabíjena kapacita kabelu, je omezen na 19 mA.

Vyžaduje se symetrický přenos signálu, protože omezovač proudu je jen jednočinný – omezuje proud jen v době, kdy je výstup zdrojem proudu, ale ne v době, kdy je jeho spotřebičem. Schéma zapojení je na obr. 12a.

3.2 Výstup s termistorem
Leine & Linde používá tento výstup např. u snímače typu 800. Výstup je vhodný především pro velmi dlouhé kabely s velkou kapacitou.

Výstup je chráněn proti zkratu termistorem. Při zkratu teče výstupem a tím i sériově zapojeným termistorem velký proud, který způsobí jeho oteplení. Dosáhne-li teplota přibližně 120 °C, začne odpor termistoru prudce stoupat a zkratový proud omezí. Proud ovšem neklesne až na nulu, ale může činit až 100 mA, podle toho, jak vysoké je napájecí napětí, a podle toho, zda je výstup právě zdrojem nebo spotřebičem proudu.

Kromě zkratu vyvolá nárůst odporu termistoru také velká zátěž. Další faktory, které mají vliv na ochrannou funkci termistoru, jsou:

• napájecí napětí,
• délka kabelu,
• frekvence,
• odpor přijímače,
• teplota okolí.

V katalogovém listu se udává, že při frekvenci výstupního signálu 100 kHz, teplotě okolí 25 °C, napájecím napětí 30 V a proudu zátěže přijímače 20 mA je možné použít kabel o délce do 350 m. Sníží-li se např. frekvence signálu, je možné použít delší kabel.

Výstup lze použít jak se symetrickým, tak asymetrickým přenosem. Schéma je na obr. 12b.

3.3 Linkový budič
Linkové budiče používá Leine & Linde na výstupu snímačů 500/600. Také zde je vestavěna tepelná ochrana proti zkratu. Stoupne-li teplota obvodu na 150 °C, změní se výstupy na vysokoohmové. Když teplota klesne, výstupy se opět aktivují. Ochrana funguje obdobně jako u výstupu s termistorem.

Linkový budič je rychlejší než oba již uvedené výstupy, a je tedy vhodný pro vysoké frekvence výstupních signálů. Naproti tomu pracuje s menšími proudy než termistorový výstup, a není proto vhodný pro extrémně dlouhé kabely.

V katalogovém listu je uvedeno, že při frekvenci výstupního signálu 50 kHz, teplotě okolí 25 °C, napájecím napětí 30 V a proudu zátěže přijímače 20 mA je možné použít kabel o délce do 200 m. Také zde platí, že např. při snížení frekvence nebo proudu zátěže lze použít delší kabel.

Výstup s linkovým budičem je možné použít se symetrickým i asymetrickým přenosem.

(pokračování příště)

Henrik Linde (kap. 1.),
Lars Erik Flordal (kap. 2.),
Sune Söderros (kap. 3),
Leine & Linde (info@leinelinde.se).

Překlad Petr Bartošík,
odborná korektura Jan Drtil, Modeco, s. r. o.,
zastoupení Leine & Linde v ČR
(modeco@telecom.cz).