Detecția inductivă a poziției de înaltă precizie

by donpedro

Una dintre forțele motrice ale celei de-a patra revoluții industriale (I4.0) în curs de desfășurare este proliferarea roboților și a coboților pentru a spori eficiența și siguranța unei automatizări accentuate. Pentru a asigura un control precis al sarcinilor finale, cum ar fi preluarea și plasarea obiectelor pe o linie de asamblare sau asigurarea siguranței operatorilor, trebuie să fie disponibile măsurători precise ale poziției unghiulare pentru fiecare punct de rotație. Într-adevăr, acuratețea funcționalității finale a unui robot este limitată, în cele din urmă, de precizia cumulativă obținută în fiecare articulație mobilă. Deoarece pot oferi o precizie ridicată, codificatoarele optice sunt utilizate în mod regulat în aplicațiile industriale pentru a furniza poziția de rotație. Cu toate acestea, codificatoarele optice sunt costisitoare, implică un număr mare de componente, iar performanța lor este degradată de prezența contaminanților și a vibrațiilor, care sunt frecvente în mediile industriale. Pe de altă parte, codificatoarele rotative inductive sunt imune la acești factori și sunt mai puțin costisitoare; totuși, codificatoarele inductive nu au oferit, în general, același nivel de performanță. Din acest motiv, utilizarea lor a fost limitată în primul rând la aplicațiile din domeniul automobilelor care nu au nevoie de o precizie ridicată.

Selectarea unui codificator

Figura 1: Braț robotizat pe o linie de producție industrială. (© onsemi)

Un codificator rotativ măsoară poziția unghiulară a unui arbore și o convertește într-o valoare digitală. Atunci când se selectează un codificator pentru o aplicație, principalele considerente sunt rezoluția (în biți), precizia (în secunde de arc), repetabilitatea, latența, viteza (RPM) și dimensiunea senzorului (diametrul în mm). Înțelegerea diferitelor compromisuri dintre diferitele tehnologii de codificare subiacente va ajuta la selectarea codificatorului.

Rezoluția: Aceasta este determinată de numărul total de coduri de poziție în jurul unei rotații complete. Având în vedere un număr finit de coduri într-o rotație, modificarea de la o citire a poziției la următoarea cea mai apropiată este, prin urmare, cea mai mică modificare detectabilă a poziției. Rezoluția unui codificator absolut este exprimată uzual în biți. O neînțelegere frecventă cu privire la codificatoare este aceea că o rezoluție mai mare îmbunătățește precizia unui sistem. Este esențial să se știe că mărirea rezoluției nu crește neapărat precizia. Este posibil − și, de obicei, destul de probabil − ca un codificator să aibă o rezoluție mult peste acuratețea sa.

Precizia: Gradul de precizie al codificatorului este o măsură a discrepanței dintre valoarea de ieșire a codificatorului și poziția reală a arborelui măsurat. Precizia codificatorului se măsoară de obicei în grade, minute de arc sau secunde de arc. Codificatoarele standard au o precizie de aproximativ 2,5 minute de arc (o treime de grad) sau mai bună, în timp ce codificatoarele de precizie de top pot atinge o precizie de până la 5 secunde de arc (0,0014 grade). Multe aplicații robotice industriale necesită o precizie de 50 de secunde de arc sau mai bună.

Repetabilitatea: Aceasta exprimă cât de consistent poate reproduce un sistem o măsurătoare atunci când arborele revine în aceeași poziție după o altă mișcare. Orice diferență în ieșirea măsurată pentru aceeași poziție fizică este măsurată ca eroare de repetabilitate și este exprimată de obicei în secunde de arc.

Latența: Un alt parametru care trebuie luat în considerare atunci când se selectează un codificator este răspunsul în trepte și latența sistemului. Latența, exprimată de obicei în microsecunde, reprezintă intervalul de timp de la inițierea unei măsurători de poziție până la transmiterea poziției calculate către controlerul principal. Cu alte cuvinte, dacă controlerul principal “întreabă” codificatorul care este poziția sa, oare cât timp durează pentru a primi un răspuns?

Viteza: Având în vedere lățimea de bandă finită a componentelor electronice utilizate pentru a detecta și procesa semnalele primite de la traductorul senzorului, există limite în ceea ce privește viteza cu care se poate roti un arbore, obținându-se în același timp măsurători precise ale poziției. La o anumită viteză a arborelui, sistemul electronic al senzorului nu mai poate ține pasul.

Dimensiunea: Mărimea unui senzor de poziție este un aspect important în procesul de selecție a codificatorului, deoarece diferitele aplicații finale au restricții diferite în ceea ce privește dimensiunea. Este important de reținut că precizia variază, de obicei, în funcție de diametrul senzorului.

Tipul de traductor: Cele mai comune codificatoare utilizează traductoare optice, inductive sau magnetice pentru a converti rotația unghiulară într-un semnal electric care poate fi procesat și convertit într-o măsurătoare digitală. Codificatoarele optice sunt cele mai precise, iar cele magnetice sunt cele mai puțin precise, iar precizia codificatoarelor inductive se situează, în general, între cele două, dar cu o suprapunere considerabilă în fiecare direcție. Cu cât precizia unui codificator optic este mai mare, cu atât costul este mai ridicat. Clienții trebuie să pună în balanță cerințele de precizie cu costul sistemului, precum și alți factori precum fiabilitatea, ușurința în utilizare și întreținerea, pentru a găsi soluția optimă pentru nevoile lor.

Codificatoare inductive

Codificatoarele inductive utilizează trasee metalice fabricate sub formă de bobine inductive pe plăci de circuite imprimate. La fel ca alte codificatoare rotative, un codificator inductiv conține două părți principale: un element fix numit stator și un element mobil numit rotor (ținta). Statorul este format dintr-o bobină de emisie și două sau mai multe bobine de recepție. Bobinele de recepție sunt imprimate pe placa de circuit pentru a produce semnale care se modifică în funcție de poziția rotorului. În multe modele, circuitele electronice de procesare a semnalului senzorului sunt, de asemenea, integrate pe stator. Rotorul nu conține circuite active și este realizat fie din material feromagnetic, fie pe un substrat cu diferite trasee sau modele din material conductiv, cum ar fi cuprul (de exemplu, o placă de circuit imprimat – PCB). Atunci când un curent alternativ este aplicat pe bobina emițătorului de pe stator, se produce un câmp electromagnetic. Pe măsură ce rotorul trece peste senzor, se generează curenți turbionari în tiparul conductiv de pe suprafața țintei. Acești curenți turbionari creează un câmp opus, care modulează densitatea de flux între senzor și țintă, care la rândul său produce o tensiune la bobinele receptorului de pe stator. Amplitudinile și fazele tensiunilor receptorului variază pe măsură ce ținta se rotește în raport cu statorul, permițând astfel calcularea poziției țintei.

Codificatoarele inductive oferă o serie de avantaje cheie care le fac foarte utile pentru aplicațiile industriale:

  1. Sunt insensibile la aproape toate formele de contaminare sau interferență, inclusiv la lichide, murdărie și praf, câmpuri magnetice, EMI și vibrații puternice.
  2. Datorită sensibilității lor scăzute la vibrațiile mecanice, codificatoarele inductive pot face distincția între translația dintre rotor și stator și rotația dintre rotor și stator. De exemplu, ei pot distinge între mișcarea de rotație (care este măsurată) și vibrațiile pe axa x, y sau z (care pot fi rejectate).
  3. Robustețe: Codificatoarele inductive utilizează cuplarea inductivă între întreaga suprafață a rotorului și întreaga suprafață a statorului. Bobinele de pe PCB ar trebui să fie secționate înainte ca acesta să nu mai funcționeze.
  4. Spre deosebire de codificatoarele magnetice, detectarea inductivă nu are o dependență de ordinul întâi față de temperatură. Astfel, precizia și repetabilitatea codificatoarelor inductive în funcție de temperatură sunt cu câteva ordine de mărime mai bune decât cele ale detecției magnetice.

Tehnologie inductivă inovatoare

În timp ce caracteristicile codificatoarelor inductive le fac foarte atractive pentru aplicațiile industriale, acestea au fost limitate din punct de vedere istoric la cazurile de utilizare care nu necesitau un grad ridicat de precizie (de exemplu, < 100s de secunde de arc) și care funcționau cu o viteză de rotație redusă. NCS32100 de la onsemi este un nou senzor rotativ de poziție dual inductiv, ce poate oferi precizia asociată în general cu codificatoarele optice de nivel mediu și înalt în aplicații industriale, care operează la viteză mare. Acest dispozitiv inovator, cu tehnologie brevetată, are opt canale de semnal ce pot fi alocate în diverse moduri pentru a fi utilizate cu până la opt bobine statorice pentru a asigura poziționarea fină și grosieră.

Figura 2: Senzor rotativ de poziție dual inductiv. (© onsemi)

Atunci când este asociat cu bobinele statorice și rotorice corespunzătoare, NCS32100 calculează poziții absolute la viteze mari și cu o precizie ridicată. Depășind cu ușurință codificatoarele inductive de ultimă generație, NCS32100 permite o precizie de 50 de secunde de arc sau mai bună la viteze de până la 6.000 RPM. Acesta poate suporta viteze de până la 100.000 RPM (cu o reducere a preciziei) și este un senzor înalt integrat care conține un procesor Arm® Cortex®-M0+ cu memorie Flash pentru a stoca setările de configurare. NCS32100 oferă un nivel de integrare care transformă totul într-o soluție simplă și ușor de utilizat. Alte caracteristici valoroase suplimentare includ detectarea defecțiunilor pentru a avertiza dacă nivelul de încărcare al unei baterii de rezervă este scăzut, dacă senzorul este disfuncțional sau dacă este detectată o stare de supratemperatură. De asemenea, vine cu o rutină de autocalibrare integrată și rapidă (pentru a minimiza timpul de nefuncționare a producției) care îi permite să compenseze asimetriile pe PCB. Această calibrare este înalt automatizată și rapidă, necesitând doar 2 secunde, minimizând impactul asupra timpului de producție. Are o interfață de programare ușor de folosit și poate fi utilizat cu diverși senzori și PCB-uri cu diferite modele, forme, dimensiuni și factori de formă pentru o flexibilitate maximă de proiectare.

NCS32100 aduce detecția de poziție în domeniul industrial la nivelul următor

Roboții industriali și coboții necesită codificatoare din ce în ce mai robuste pentru a asigura detectarea poziției cu precizie ridicată și de mare viteză. Având o imunitate excelentă la interferențele cauzate de o mare varietate de factori de mediu, codificatoarele inductive prezintă un mare interes pentru aceste aplicații industriale. În timp ce imprecizia lor relativă a limitat, în trecut, adoptarea encoderelor inductive în sistemele electromecanice complexe, senzorul rotativ de poziție de la onsemi oferă acum soluția optimă pentru detecția rotației în aplicațiile industriale. Senzorul rotativ de poziție NCS32100 de la onsemi utilizează o nouă abordare a detecției inductive a poziției pentru a depăși limitările istorice și pentru a permite o nouă generație de codificatoare rotative de poziție de mare precizie în aplicațiile industriale de mare viteză.

Autor: Bryson Barney, Product Marketing
onsemi

S-ar putea să vă placă și