0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Шаговый двигатель с энкодером принцип работы

Выбор замкнутого контура шагового привода

Большинство систем перемещения на основе шаговых двигателей работают в разомкнутом контуре и поэтому большей частью недороги. По сути, шаговые системы предлагают единственно возможную технологию движения, которая способна осуществлять управление положением без обратной связи. Однако, когда шаговые двигатели работают на нагрузку в разомкнутом контуре, может произойти потеря синхронности заданных и реальных шагов.

Управление по замкнутому контуру – это разновидность традиционного шагового перемещения. Оно является экономичной альтернативой в тех случаях, когда требуется большая надежность, безопасность или гарантия качества. Контур этих шаговых систем замыкается с помощью устройства обратной связи или одного из разнообразных непрямых методов считывания параметров, что дает возможность проверять/контролировать „пропущенные шаги“, определять потерю скорости двигателя и позволяет добиться большей величины вращающего момента. В последнее время управление по замкнутому контуру (CLC) шаговых приводов помогает реализовывать архитектуры распределенного интеллектуального перемещения.

Виды энкодеров

Энкодер – устройство для преобразования угла поворота или скорости вращения в электрический сигнал. По выходному сигналу различают:

  • Инкрементальные энкодеры. Принцип действия этих устройств основан на подсчете количества импульсов, которое пропорционально повороту или частоте вращения вала. При использовании этих устройств необходимо задать нулевые точки для привязки датчика к конкретной системе отсчета.
  • Абсолютные энкодеры. Такое устройства не требуют задания референтных точек. Абсолютные датчики выдают данные о текущем положении вала без интерпретации количества импульсов.

По принципу действия различают оптические и магнитные энкодеры (датчики Холла).

Как выбрать

Датчики линейного и кругового перемещения

  • Перемещение
    • Круговое (угловое)
    • Линейное.
  • Принцип действия
    • Оптические, электромагнитные, механические
    • Импульсные или непрерывные
    • Инкрементальные или абсолютные.
  • Разрешение
    • Импульсов на оборот (для круговых)
    • Миллиметров, микрон (для линейных).
  • Круговые датчики
    • Вал
      • Конструкция вала (цельный, полый)
      • Диаметр
    • Подшипники (если нужны).
  • Инкрементальные энкодеры
    • Тип выходного сигнала
      • TTL 5В (RS-422)
      • HTL 8..30В
      • Sin/cos 1Vss
      • Sin/cos 1Vpp.
  • Абсолютные энкодеры
    • Тип датчика
      • Однооборотные
      • Многооборотные.
    • Код
      • Двоичный
      • Грея.
    • Тип выходного сигнала
      • Синусно-косинусный (резольверы)
      • Параллельный
      • SSI
      • DRIVE-CLiQ
      • RS-422 (TTL)
      • EnDat
      • HIPERFACE
      • PROFIBUS DP
      • DeviceNet
      • CANOpen.
  • Окружающая среда
    • Диапазон рабочих температур
    • Степень защиты корпуса
    • Класс взрывозащиты.
  • Ограничения
    • Максимальная рабочая скорость
    • Длина кабеля.

Датчики угла наклона (инклинометры)

  • Диапазон измерения угла наклона относительно вертикали (например, ±10°)
  • Разрешение (0,1°)
  • Абсолютная точность (±0,5°)
  • Температурный дрейф (±0,5%/K)
  • Температурный коэффициент (0,01°/K)
  • Калибровка нуля (±5°)
  • Воспроизводимость измерения (0,1% от диапазона измерения)
  • Выходной сигнал:
    • Токовый 4..20мА
    • Напряжение 0,1..4,9В
  • Напряжение питания
  • Защита:
    • от обрыва провода
    • от обратной полярности
  • Степень защиты корпуса (IP67)
  • Температура окружающей среды (-30°C..+70°C)
  • Подключение:
    • Коннектор М12 (папа).

Виды и принцип действия

Энкодеры – это датчики поворота. Простейший датчик имеет ручку, которая может поворачиваться по часовой стрелке или против нее. В зависимости от угла поворота и направления выдается цифровой сигнал, информирующий о том, в каком положении находится ручка, либо в какую сторону она была повернута.

У такого энкодера, показанного на рисунке, ручка также может применяться в качестве кнопки. Это является вспомогательной функцией конкретного вида энкодера.

По типу выдаваемых данных энкодеры делятся на две большие группы:

  1. Абсолютные.
  2. Инкрементальные.
Абсолютные энкодеры

У абсолютного энкодера весь круг поворота разделен на определенное количество секторов, чаще всего одинакового размера. Эти сектора пронумерованы. Энкодер при работе выдает номер сектора, в котором на данный момент он находится. Поэтому он и называется абсолютным. У этого типа энкодера всегда можно определить, на какой угол относительно нулевого сектора повернут энкодер в конкретный момент, то есть, при повороте он выдает значения номеров секторов, до максимального значения. Далее он переходит снова на ноль.

Читать еще:  Авто чайка какой двигатель

Если вал энкодера поворачивать в другую сторону, то он начнет выдавать противоположные значения. В нашем случае у него используется пять выводов для выдачи значений поворота.

У данного алгоритма имеются свои недостатки. Из таблицы 1 виден порядок выдаваемых значений n-го энкодера. Стоит обратить внимание на две последние строчки, переход от 127 на 128.

Таблица 1

Здесь меняются абсолютно все биты. В идеальном энкодере они все меняются одновременно и нет никаких проблем. Практически в реальном энкодере биты меняются быстро, однако не одновременно. И в какой-то момент на выходе энкодера оказывается совершенно произвольное значение. Так как меняются все биты, следовательно, у энкодера будет произвольное значение от нуля до всех единиц.

Справа изображен пример такого переключения. Чем это может грозить? Разберем пример. Микроконтроллер с помощью двигателя управляет валом и поворачивает его на определенный угол. В определенный момент при переключении со 127 на 128 ячейку он получает определенное случайное значение. Контроллер делает вывод, что вал находится совершенно в другом месте, в отличие от фактического места, и начинает его вращать в другую сторону, с другой скоростью и т.д.

Через определенное время микроконтроллер получает правильное значение, начинает пытаться остановить вал и вращать его в правильную сторону. Такой процесс может продолжаться долго, при условии, что такая ошибка будет встречаться часто. Такие ошибки являются нерегулярными, и вычислить их достаточно сложно.

Код Грея

Выше описанная проблема решается с помощью введения кода Грея. Особенностью кода Грея является то, что при переключении энкодера на единицу, значение кода Грея меняется также на единицу. Меняется только один вид. Это видно в таблице 2 в сравнении двоичного кода и кода Грея.

Таблица 2

Первые две строчки совпадают, но уже во второй строчке поменялся средний бит. Далее также меняется один бит. Также стоит отметить, что последний и первый код Грея отличается на один бит, то есть код Грея может зациклиться.

Преимуществом данного кода является то, что ошибка, которая рассмотрена выше, невозможна. Из недостатков можно отметить, что микроконтроллеру необходимо переводить код Грея в двоичный код для того, чтобы понять, в каком положении находится абсолютный энкодер.

Инкрементальные энкодеры

Следующим типом является инкрементальный энкодер, который имеет более простую структуру. Но при этом он не показывает конкретное место положения своей ручки. Он показывает только направление поворота, а число делений поворота должен считать микроконтроллер.

У инкрементального энкодера есть набор полосок, которые по умолчанию подключены к земле, и при повороте они замыкаются и размыкаются. Получается сигнал, изображенный на рисунке (похож на меандр). Таких круговых полосок у энкодера две. Полоски смещены на одну четверть, и сигналы также смещены между собой на четверть. Это важно, так как позволяет определить направление вращения.

Схему инкрементального энкодера можно представить по правому рисунку. Кнопки обозначают периодические подключения энкодера к земле. Так как внутри энкодер не подключается к логической единице, то необходимо снаружи самостоятельно подтянуть логические единицы через резисторы к выводу энкодера. В этом случае, когда ни одна из ножек у энкодера не подключена к земле, на ножках будет логическая единица.

Если энкодер подключил к земле какую-то ножку, то на этой ножке будет логический ноль. В спокойном состоянии у энкодера на выходе логическая единица. При начале вращения энкодера в любую сторону, то сначала один вывод подключается к земле, затем другой. Далее эти выводы по очереди отключаются от земли, и на них опять образуется логическая единица.

Читать еще:  Чем мыть двигатель мотоцикла

Определить направление поворота можно по тому, какой из выводов раньше подключился к земле. При подсчете полных циклов можно посчитать количество щелчков поворота энкодера.

Фактически у энкодера имеется четыре состояния:
  1. Две единицы.
  2. Ноль и единица.
  3. Ноль и ноль.
  4. Единица и ноль.

Три состояния, которые не равны единицам, являются неустойчивыми, и в них энкодер не может находиться. Во многих микроконтроллерах реализована функция подсчета поворотов с помощью таймеров, у которых есть определенные входы. Таймер считает на аппаратном уровне, на сколько щелчков и в какую сторону был повернут энкодер, и выдает значение. То есть, счетчик инкрементирует какое-либо число.

По изменению этого числа можно определить, на сколько щелчков был повернут энкодер. По количеству щелчков можно определить и угол поворота. Энкодер также имеет дребезг контактов, который усложняет анализ сигналов.

Оптические энкодеры

Подобный преобразователь выполнен в виде диска, зафиксированного на валу, и изготовленного из стекла. Оптический датчик поворота отличается от других видов дополнительным оптическим растором, перемещаемым при повороте вала. При этом он превращает момент вращения в световой поток, который далее принимается фотодатчиком.

Оптический преобразователь запоминает углы вращения. При этом каждому отдельному положению соответствует особый цифровой код, который вместе с числом оборотов образует единицу измерения датчика. Энкодер подключается и работает по аналогии с инкрементальным датчиком.

По характеру функционирования они разделяются на фотоэлектрические и магнитные . Принцип работы магнитных основан на использовании эффекта Холла, который был впервые открыт в 1879 году. При этом разность потенциалов появляется только при расположении провода постоянного тока в магнитное поле.

По точности и свойствам разрешения магнитный вид датчика уступает фотоэлектрическому, однако по конструкции он проще, менее требователен к условиям работы и пространству. Магнитный энкодер является прибором, который фиксирует прохождение магнитного полюса магнита при вращении, находящегося рядом с чувствительным элементом. Информация передатчика выражается в цифровом коде.

Фотоэлектрический энкодер является датчиком, работающим на основе фотоэлектрического принципа. Этот эффект наблюдается при воздействии светового потока на вещество. Этот принцип был открыт в 1887 году. При эксплуатации такого датчика происходит постоянное преобразование луча света в сигнал электрического тока.

Аналогами фотоэлектрического энкодера являются оптоэлектронный, оптический и оптронный. Эти датчики наиболее чувствительны к характеристикам изготовления, эксплуатации и другим факторам, по сравнению с другими моделями. Однако это оправдывается их повышенной точностью, в отличие от конкурентов.

Где может быть использовано устройство

Существует немало сфер и областей, в которых энкодеры нашли широкое применение. Достаточно рассмотреть наглядные примеры использования этих устройств, чтобы убедиться в их популярности:

  • В механизмах, работающих для нужд печатной промышленности, эти датчики контролируют вращение валов, по которым проходит бумага и краска.
  • На предприятиях, где ведется металлообработка, они задействованы при вращении валов с металлическими лентами.
  • При конструировании различных моделей и устройств в области робототехники помогают контролировать движение различных частей робота.
  • В автомобилестроении с помощью датчиков определяется угол поворота колеса.
  • Городское хозяйство нельзя представить без лифтов – для их работы также требуются энкодеры.
  • В пищевой и химической промышленности необходимо постоянно фасовать продукцию в больших объемах. Этим занимаются автоматизированные устройства, в которых установлены энкодеры.
  • Даже в домашних условиях можно легко найти предмет, в котором есть энкодер — это компьютерная мышь, которая есть практически в каждой квартире.
  • В различных электротехнических устройствах, например, сервомоторах, требующих высокой точности, также установлены датчики.

В зависимости от сферы использования и особенностей устройства, энкодеры могут решать различные задачи. Они измеряют угловые положения, помогают определить позиционирование объектов, детектируют положение в пространстве, могут проводить определение позиций с высокой точностью, а также измерять вращательные движения.

Читать еще:  Двигатели с нестандартной работой

Плюсы и минусы сервомоторов

Благодаря унифицированным размерам, эти устройства легко и просто устанавливаются в любые конструкции. Они безотказны и надежны, каждый из них работает практически бесшумно, что имеет большое значение при их эксплуатации на сложных и ответственных участках. Даже на невысоких скоростях можно добиться точности и плавных перемещений. Каждый сервопривод может быть настроен персоналом, в зависимости решения тех или иных задач.

В качестве недостатков отмечаются определенные сложности при настройках и сравнительно высокая стоимость.

Сервопривод для теплого пола

Управление шаговым двигателем

ЩСУ – щит станций управления

Ремонт люстры с пультом управления

Шаговый двигатель. Принцип работы

Принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя

Разработка программы в Tia Portal

После этого небольшого вступления перейдем к нашей непосредственной задаче. А именно подключении абсолютного энкодера Leine Linde к контроллеру Siemens S7 300 по протоколу Profibus DP.

Для нашей задачи нам потребуется скачать конфигурационный файл GSD (General Station Data – общее описание станции), можно сказать драйвер, содержащий спецификацию устройства — идентификатор устройства, конфигурационную информацию, регулируемые параметры, тип данных и допустимые предельные значения. Благодаря GSD файлу отпадает необходимость в ручном вводе данных, осуществляется автоматическая проверка ошибок и целостности данных. Скачать GSD файл можно на официальном сайте производителя конкретного оборудования.

Далее необходимо импортировать наш GSD файл в среду разработки Tia Portal. Для этого выбираем в меню Options пункт Manage general station description files (GSD).

Указываем путь к нашему файлу на жестком диске и после завершения установки наш энкодер добавится в каталоге оборудования.

Добавляем энкодер в проект. Из раздела Devices & networks переходим на вкладку Network view и производим соединение контроллера и энкодера по шине Profibus. В данном случае к контроллеру 314С-2 подключены по Profibus два энкодера Leine Linde и HMI панель KTP700 Basic, а по Profinet еще один контроллер Siemens 317F-2.

Для настройки обмена данными между ПЛК и энкодером задействуем стандартную телеграмму Telegram 81. Выберем ее в разделе Device view .

Телеграмма 81 включает в себя следующую структуру данных:

Слева — это данные, передаваемые с ПЛК в энкодер.

  • STW2_ENC — слово управления 2 используется для контроля правильной синхронизации процессов контроллера с процессами в энкодере.
  • G1_STW — слово управления 1 основными функциями энкодера, такими как установка абсолютного положения, парковка, подтверждение ошибки.

Справа — данные, принимаемые ПЛК с энкодера.

  • ZSW2_ENC — слово состояния 2, эквивалентно STW2_ENC.
  • G1_ZSW — слово состояния 1 основными функциями энкодера, эквивалентно G1_STW.
  • G1_XIST1 — фактическое значение положения 1
  • G1_XIST2 — фактическое значение положения 2. В случае возникновения какой-либо ошибки, отображает код ошибки.

Далее на вкладке Device-specific parameters задаем необходимые значения параметров энкодера, после чего сохраним и скомпилируем наш проект.

Загружаем проект в контроллер PLC — Download to Device .

Переходим непосредственно к программной части. Нам понадобится два блока, один из которых будет отвечать за обработку данных энкодера, а второй за управление энкодерами.

Создадим новую функцию и задаем ей имя Profibus_DP_Leine.

Функция Profibus_DP_Leine готова.

Данную функцию будем вызывать в функциональном блоке. Создаем новый блок Encoder_Leine&Linde, который отвечает непосредственно за управление энкодерами.

Network 1: Энкодер 1 BQ1

Network 2: Энкодер 2 BQ2

Теперь в организационном блоке OB1 можно вызывать этот ФБ.

ФБ Encoder_Leine&Linde — Скачать

ФБ Profibus_DP_Leine — Скачать

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector