Przejście z silników o stałej prędkości na silniki o zmiennej prędkości ze sprzężeniem zwrotnym pozycji i prądu zapewnia drogę do ogromnych oszczędności procesowych i energetycznych. Niniejszy artykuł zawiera przegląd enkoderów silnikowych (pozycji i prędkości), w tym typów i technologii oraz przypadków użycia. Odpowiada również na kluczowe pytania, takie jak jakie wskaźniki wydajności enkodera są najbardziej krytyczne dla mojego systemu.

Omówione zostaną kluczowe przyszłe trendy w elektronice stosowanej w enkoderach, w tym monitorowanie stanu maszyn, inteligencja i solidne czujniki o dłuższej żywotności. Na koniec wyjaśnimy, dlaczego projekty kompletnych łańcuchów sygnałowych mają fundamentalne znaczenie przy projektowaniu enkoderów silnikowych nowej generacji.

Metryki, trendy i elektronika enkoderów silnikowych

Po przeczytaniu tego artykułu powinieneś być w stanie odpowiedzieć na następujące kluczowe pytania:

– Czym jest enkoder i w jaki sposób poprawia on wydajność mojego falownika i systemu napędzanego silnikiem? 

-Jakie wskaźniki wydajności enkodera są najbardziej krytyczne dla mojego systemu? Po przeczytaniu tego artykułu zrozumiesz, jak dopasować rozdzielczość, dokładność i powtarzalność enkodera do specyfikacji silnika i systemu robota.

– Jakie układy elektroniczne są powszechnie stosowane w enkoderach i jakie są przyszłe trendy? Po przeczytaniu tego artykułu zrozumiesz, w jaki sposób monitorowanie stanu maszyn, inteligencja brzegowa, solidne czujniki i szybka łączność umożliwiają projektowanie enkoderów w przyszłości.

System sprzężenia zwrotnego zamkniętej pętli sterowania silnikiem

W ciągu ostatnich kilku dekad nastąpiło stałe i ciągłe przejście od tradycyjnych silników podłączonych do sieci do silników napędzanych falownikami. Było to, i nadal jest, znaczące przejście w przemysłowym sprzęcie obrotowym i zaowocowało ogromnymi oszczędnościami procesów i energii dzięki bardziej wydajnemu wykorzystaniu silników i sprzętu końcowego. Wyższa jakość sterowania silnikiem dzięki napędom o zmiennej prędkości i systemom serwonapędów oferuje obecnie lepszą jakość i synchronizację w najbardziej wymagających zastosowaniach. Wydajność i sprawność silnika poprawia się dzięki zastosowaniu falownika mocy, wysokowydajnego czujnika położenia i sprzężenia zwrotnego prądu/napięcia w pętli zamkniętej dla stopnia mocy, jak pokazano na rysunku 1.

Sterowanie prędkością silników w pętli otwartej jest możliwe poprzez przyłożenie napięcia o zmiennej częstotliwości do silnika za pomocą modulacji szerokości impulsu w falowniku. W stanie ustalonym lub w wolno zmieniających się warunkach dynamicznych będzie to działać dość dobrze, a wiele napędów silnikowych w zastosowaniach o niższej wydajności wykorzystuje sterowanie prędkością w pętli otwartej, bez konieczności stosowania enkodera. Takie podejście ma jednak kilka wad:

X Dokładność prędkości jest ograniczona, ponieważ nie ma sprzężenia zwrotnego  Wydajność silnika jest niska, ponieważ nie można zoptymalizować sterowania prądem.

X Reakcja przejściowa musi być ściśle ograniczona, aby silnik nie utracił synchronizacji.

Co to jest enkoder położenia?

Enkoder zapewnia sygnały sprzężenia zwrotnego w zamkniętej pętli poprzez śledzenie prędkości i położenia obracającego się wału. Enkodery optyczne i magnetyczne są najczęściej stosowanymi technologiami, jak pokazano na rysunku 2. W serwonapędach ogólnego przeznaczenia enkodery służą do pomiaru położenia wału, na podstawie którego obliczana jest prędkość obrotowa napędu. W robotyce i dyskretnych systemach sterowania wymagana jest precyzyjna i powtarzalna pozycja wału. Enkodery optyczne składają się ze szklanego dysku z drobnymi szczelinami litograficznymi. Czujniki fotodiodowe wykrywają zmiany światła, gdy przechodzi ono przez dysk lub jest od niego odbijane. Analogowe wyjście fotodiody jest wzmacniane i digitalizowane, a następnie przesyłane przewodowo do sterownika falownika. Enkodery magnetyczne składają się z magnesów zamontowanych na wale silnika, z czujnikiem pola magnetycznego zapewniającym analogowe wyjście sinusoidalne i cosinusoidalne, które jest wzmacniane i digitalizowane. Łańcuchy sygnałowe czujników optycznych i magnetycznych są podobne, jak pokazano na rysunku 2.

(a) Enkoder optyczny i (b) enkoder magnetyczny.

Enkodery absolutne jednoobrotowe zwracają pozycję absolutną w zakresie mechanicznym lub elektrycznym 360° po podłączeniu zasilania. Pozycję wału silnika można odczytać natychmiast. Enkodery absolutne wieloobrotowe obejmują zarówno funkcje absolutne, jak i zliczają liczbę obrotów o 360°. Z kolei enkodery inkrementalne zapewniają pozycję względem punktu początkowego obrotu. Enkodery inkrementalne zapewniają impuls indeksowy wskazujący 0° i pojedynczy impuls zliczający obroty lub podwójny impuls informujący o kierunku.

Rozdzielczość enkodera to liczba pozycji, które można rozróżnić na 360° obrotu wału silnika. Ogólnie rzecz biorąc, enkodery o najwyższej rozdzielczości wykorzystują technologię optyczną, podczas gdy enkodery o średniej/wysokiej rozdzielczości wykorzystują czujniki magnetyczne lub optyczne. Resolwery (transformatory obrotowe) lub czujniki Halla są stosowane w enkoderach o niskiej i średniej rozdzielczości. Enkodery optyczne lub magnetyczne wykorzystują kondycjonowanie sygnału o wysokiej rozdzielczości.

Większość enkoderów optycznych to enkodery przyrostowe. Powtarzalność enkodera jest kluczowym wskaźnikiem wydajności i jest miarą tego, jak konsekwentnie enkoder powraca do tej samej zadanej pozycji. Ma to kluczowe znaczenie w przypadku powtarzalnych zadań, takich jak robotyka lub maszyny typu pick and place do umieszczania półprzewodników podczas produkcji płytek drukowanych.

Znaczenie dokładności i powtarzalności enkodera silnika

Maszyny/roboty typu „podnieś i połóż” są powszechnie wykorzystywanymi urządzeniami automatyki w branży pakowania żywności i produkcji półprzewodników. Maszyna lub robot o wysokiej dokładności i powtarzalności jest wymagany do zapewnienia wydajności procesu. Dokładność, powtarzalność i wydajność osiąga się za pomocą wysokowydajnych enkoderów silnika.

Rysunek 4 ilustruje przypadek użycia enkodera w robotyce. Silniki napędzają każdy przegub ramienia robota za pośrednictwem precyzyjnych przekładni redukcyjnych. Kąty przegubów robota są mierzone za pomocą precyzyjnego enkodera kąta wału zamontowanego na silniku (θm) i często dodatkowego enkodera zamontowanego na ramieniu (θj).