Snímače polohy a otáček v praxi

Snímače polohy a otáček v praxi

Lars Erik Flordal, Jens Elvén

(dokončení z čísla 3/2003)

4. Montáž snímačů s plnou a dutou hřídelí

U snímačů s vlastním uložením hřídele můžeme rozlišit dvě základní provedení: snímače s plnou hřídelí a snímače s dutou hřídelí. Vnitřní uspořádání obou provedení je takřka totožné, hlavní rozdíl je ve způsobu jejich montáže. Těleso snímače s plnou hřídelí se montuje pomocí příruby a jeho hřídel se spojkou spojuje s hřídelí, jejíž poloha nebo otáčky se mají měřit. Snímače s dutou hřídelí se naproti tomu připojují přímo na měřenou hřídel a těleso snímače na nepohyblivou část měřeného zařízení. V dalším výkladu se omezíme na montáž snímače na elektromotor. Výklad se tím zjednoduší, ale uvedené pokyny pro montáž jsou obecně platné.

4.1 Snímače s plnou hřídelí
Pro připojení hřídele snímače na hřídel motoru je bezpodmínečně nutná pružná spojka, protože instalace motoru a snímače není nikdy dokonale přesná. Ale i v případě, že by tomu tak bylo, byla by pružné spojka potřebná. Ložiska snímače jsou totiž axiálně předepnuta a nemají žádnou axiální ani radiální vůli. Hřídel motoru naproti tomu má vůle v uložení, a může se tedy v rámci těchto vůlí volně pohybovat. Kdyby bylo spojení hřídele snímače a motoru zcela pevné, rotor motoru by byl podepřen nikoliv vlastními ložisky, ale ložisky snímače, která ovšem na takové zatížení nejsou dimenzována.

Spojka musí vyrovnat tyto vůle, odchylky tvaru a polohy a odchylky vzniklé při montáži:

• axiální odchylky a vůle,
• radiální odchylky a vůle,
• úhlové odchylky.

Axiální seřízení spojky je relativně jednoduché. Problémy mohou vzniknout jen tím, že hřídel motoru má axiální vůli, a jeho poloha se může měnit také s vnějším zatížením a teplotou. U velkých motorů může být změna axiální polohy vlivem teploty v řádu jednotek milimetrů. Spojky bez axiální vůle jsou schopny vyrovnat axiální odchylky do 0,3 mm. V extrémních případech je nutné použít spojku s posuvným drážkovým spojením.

Tab. 1. Srovnání snímačů s plnou a dutou hřídelí

Radiální seřízení spojky je většinou méně snadné a radiální odchylky polohy lze spojkou obtížněji kompenzovat. Zatížení spojky způsobené radiálními odchylkami je v průběhu jedné otáčky hřídele proměnné, pružné prvky spojky jsou cyklicky namáhány a to může vést k jejich únavovému poškození. U velkých radiálních odchylek spojených hřídelí musí být spojka dosti dlouhá, aby mohla odchylky dobře kompenzovat. Nemá-li být životnost spojky podstatně zkrácena, doporučuje se u běžných provedení snímačů a spojek maximální radiální odchylka 0,1 mm.

Úhlové odchylky je obvykle snadné omezit na minimum a při provozu jen zřídka činí problémy. Jen je třeba pamatovat na to, že i malá úhlová odchylka upevnění snímače nebo motoru se na spojce projeví také jako radiální odchylka polohy.

Pružné spojky musí nejen kompenzovat zmíněné odchylky, ale také bezchybně přenášet natočení hřídele motoru na hřídel snímače. Odpovídající spojku je třeba vybrat podle požadavků na přesnost a podle podmínek aplikace. Tyto nároky však bývají protichůdné, a v praxi je třeba hledat optimální kompromis. Spojka např. musí být co nejpoddajnější, aby odchylky vzniklé při montáži motoru a snímače zatěžovaly ložiska snímače co nejmenší silou. Současně ale musí být velmi tuhá v krutu, aby správně přenášela měřený úhel. Zvláště tam, kde je snímač používán ve zpětné vazbě regulace polohy, nesmí být ve spojce žádné vůle.

4.2 Snímače s dutou hřídelí
U snímačů s dutou hřídelí jsou hřídele snímače a motoru pevně spojeny. Případné chyby mohou být kompenzovány pružným uchycením snímače na kryt motoru, které musí zabránit rotaci snímače, ale v ostatních směrech musí být pružné. Jedním z možných způsobů montáže je použití tangenciálních ramen s kulovými klouby na obou koncích, které tvoří spojení mezi tělesem snímače a motoru. Vyznačují se velkou pružností v axiálním směru, malou délkou zástavby a jednoduchou montáží. Avšak při velkých nárocích na přesnost je nutné otvor snímače dobře vycentrovat vůči středu ramen (tolerance házivosti do 0,1 mm) a to vyžaduje, aby poloměr kružnice, na níž jsou vzpěry uchyceny, byl co největší. Chyba ve vycentrování hřídele způsobuje cyklickou úhlovou chybu. Kromě toho také dynamicky zatěžuje ložisko, které by jinak, při dokonalé montáži, bylo namáháno jen vlastní vahou snímače.

Axiální pohyb snímače vůči motoru sice způsobuje natočení snímače, ale při obvyklých délkách upevňovacích ramen je tento pohyb zanedbatelný.

Pro usnadnění montáže lze místo ramen s kulovým klouby použít ramena z pružinového drátu (obr. 13).

5. Snímače na elektrickém motoru, riziko poškození indukovanými proudy

Inkrementální a absolutní snímače polohy se často montují na elektromotory jako součást zpětné polohové nebo rychlostní vazby. Již dlouho známou skutečností je, že se v rotoru – především u velkých elektromotorů s dlouhým rotorem – vlivem nesymetrií elektrických a magnetických polí indukuje napětí. U motorů napájených přímo ze sítě lze tento problém eliminovat jejich promyšlenou a pečlivou konstrukcí. Je-li však motor napájen z měniče frekvence, vyskytuje se v napájecím napětí nezanedbatelný podíl vyšších harmonických složek. Ty vyvolávají značné nesymetrie elektromagnetického pole, jejichž důsledkem je indukce nežádoucího napětí a vířivých proudů v rotoru, kterou lze jen obtížně potlačit.

Tento problém při zrychlování regulační smyčky pohonu (nahrazování běžných tyristorů vypínacími tyristory GTO a tranzistory IGBT) narůstá. Frekvence dosahují takových hodnot, že problémy začíná činit i kapacitní vazba. Rozdíl potenciálů mezi rotorem a krytem motoru vyvolává vznik indukovaného proudu. Ten nemůže téci jinudy než přes ložiska motoru, přes připojenou zátěž nebo přes snímač. Uzemňovací kontakt a další zařízení určená pro ochranu před tímto proudem často nefungují dostatečně – jednak z principu jejich funkce a jednak proto, že jejich správná činnost vyžaduje starostlivou údržbu.

Aby se zamezilo zmíněným problémům, které tento proud vyvolává u elektromotorů, používají se izolovaná ložiska nebo kryty ložisek. Ale právě v těchto případech se proud snaží najít jinou cestu, jak vyrovnat rozdíl potenciálů mezi rotorem a zemí. Jednou z cest jsou ložiska snímače. Tato relativně malá ložiska – téměř vždy menší než ložiska motoru – mají vrstvu maziva mezi kuličkami a kroužky, která současně působí jako izolátor, jen tenkou, a jejich průrazné napětí a odpor jsou proto menší než u ložisek motoru. Protékající proud způsobuje důlkové korozní napadení materiálu ložisek, které poškozuje ložisko samo o sobě a navíc korozními zplodinami znečišťuje mazivo. Krátkodobé působení indukovaného proudu ložisko výrazně nepoškodí, snad s výjimkou svařovacích strojů, které by byly zemněny přes ložiska snímače, ale při dlouhodobém působení může mít i malá koroze záporný vliv na životnost ložisek. Jakmile koroze jednou začne, kovové částečky korozních zplodin začnou obrušovat plochy ložisek, a to i když už indukovaný proud nepůsobí.

5.1 Izolované snímače
Aby byla ložiska snímače chráněna před poškozením korozí indukovanými proudy, je nutné je izolovat od okolí nebo od hřídele motoru. U snímačů s dutou hřídelí (typy x86 z produkce Leine & Linde) se nejčastěji používá první způsob ochrany: stínění kabelu snímače není připojeno na kryt a tělo snímače je izolováno např. pomocí upevňovacích ramen s izolovanými kulovými klouby.

Chceme-li ovšem vyhovět normám pro elektromagnetickou kompatibilitu, musí být stínění kabelu připojeno na kryt snímače. V tom případě je předchozí způsob ochrany nepoužitelný. To vedlo ke konstrukci typu 860 – snímače s dutou hřídelí, která má uvnitř otvoru izolaci z odolného plastu. Stejný druh ochrany se používá u novějšího typu 861.

U snímačů s plnou hřídelí, která se s hřídelí motoru spojuje např. vlnovcovou spojkou, je nutné použít izolační spojku. Toto řešení lze použít např. u typu 850 ze sortimentu Leine & Linde (je to nový typ snímače s tzv. euro-přírubou).

6. Snímače se sériovým přenosem dat

V moderních aplikacích se stále častěji nahrazuje paralelní přenos dat přenosem sériovým. Sériové sběrnice mají mnohé přednosti, které vynikají především tehdy, jsou-li přenášeny velké objemy dat.

U sériových sběrnic jsou přenášeny jednotlivé bity za sebou po jediném vodiči, zatímco u paralelního přenosu je pro každý bit vyhrazen samostatný vodič.

Náklady na instalaci kabelových rozvodů jsou u sériových sběrnic výrazně nižší než u sběrnic paralelních. Méně vodičů znamená nejen levnější kabel, ale i méně práce při montáži. Také dokumentace ke kabeláži je tenčí a rozvody přehlednější. Navíc je jednodušší systém později modifikovat, rozšiřovat nebo přidávat do něj nové funkce.

Existuje mnoho druhů sériových sběrnic, z nichž každá má své výhody i nevýhody. V dalších odstavcích budou stručně představeny ty sběrnice, které se nejčastěji používají ve spojení s rotačními nebo lineárními snímači polohy.

6.1 SSI
SSI je jednoduchá a rychlá sériová sběrnice pro topologii bod-bod. Hodnota absolutní polohy (data) je přenášena synchronně s údajem o čase (clock), který je generován elektronikou přijímací části.

Nekomunikuje-li snímač s vyhodnocovací jednotkou, je úroveň signálů data a clock vysoká. Při příchodu první sestupné hrany signálu clock je do paměti snímače uložena aktuální hodnota polohy. Po příchodu opačné, vzestupné hrany signálu clock je zahájen přenos dat. Jako první se přenáší nejvyšší bit. Po ukončení přenosu celého slova je signál data na 12 až 35 µs uveden na nízkou úroveň. Potom se vrací na vysokou úroveň a čeká se na další sestupnou hranu signálu clock, aby mohl být zahájen přenos další hodnoty. Přijde-li sestupná hrana signálu clock dříve, než je signál data uveden na vysokou úroveň, zahájí se znovu přenos původní hodnoty polohy.

6.2 EnDat
EnDat je podobně jako SSI jednoduchá a moderní sériová sběrnice pro topologii bod-bod. Umožňuje přenášet nejen údaje o aktuální poloze, ale také parametry snímače a informace o jeho stavu.

Stejně jako u SSI jsou synchronně přenášeny signály clock a data. Na vstup data snímače je přiveden příkaz mode, který určí, zda se mají přenášet informace o poloze nebo o snímači. Každý přenos údajů o poloze je zahájen alarmovým bitem, který může být využíván jako varování o výskytu rušení ve snímači. Tam, kde jsou velké požadavky na rychlost přenosu dat, vyšle se do signálu clock sekvence pulsů, kterou se zruší přenos příkazu mode a sběrnice přenáší jen údaj o poloze (jako u SSI).

Komunikační brány firmy Linde & Linde používají pro komunikaci se snímači právě EnDat (pozn. red. článek o EnDat přinese časopis Automa v některém z následujících čísel).

6.3 Profibus-DP
Profibus-DP lze charakterizovat jako otevřený standard průmyslové sběrnice s bohatými možnostmi použití. Fyzicky tato sběrnice používá konektory RS-485 a splétanou dvoulinku. Pravidla pro komunikaci jsou specifikována v normě profilu Profibus-DP, funkce snímače v profilu snímače. Profil snímače rozlišuje dvě třídy dat. V první třídě jsou definována jen data zabezpečující základní funkci snímače, ve druhé třídě jsou uvedeny i rozšiřující funkce, jako změna měřítka, přednastavení, změna kódovací sekvence, identifikace snímače, zbývající doba života a stav snímače, popř. i s varovnými hlášeními.

Ke každé jednotce připojené na Profibus-DP musí existovat soubor GSD s komunikačními parametry. S využitím tohoto souboru lze data z nově připojeného snímače přenášet okamžitě, bez nutnosti rekonfigurace celého systému (plug and play).

Tab. 2. Další informace o sběrnicích na internetu

6.4 CAN
CAN je stejně jako Profibus-DP moderní, otevřený komunikační standard. Protokol CAN popisuje základní funkce, jako je formát dat, přístup k síti a vyhodnocení chyb. Které bity a byty budou po sběrnici posílány, definují vyšší úrovně sběrnice. Na těchto úrovních existují různé varianty využívající specifikaci CAN; hovoří se o protokolech CANopen, CAN Kingdom nebo DeviceNet.

CAN je velmi flexibilní sběrnice. Umožňuje konfigurovat komunikaci tak, aby to optimálně vyhovovalo podmínkám aplikace. Počet stanic připojených na sběrnici sice lze v horní úrovni komunikačního protokolu pevně určit, ale v podstatě je neomezený.

Sběrnice CAN se prosadila především pro přenos dat v automobilech a jiných dopravních prostředcích. Díky tomu je na trhu množství stanic s možností komunikace prostřednictvím CAN, a s rostoucím objemem výroby klesá cena komponent.

Lars Erik Flordal (kap. 4. a 5.),
Jens Elvén (kap. 6.),
Leine & Linde (info@leinelinde.se).

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