Поворотные шифраторы: основные типы и некоторые особенности применении

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Поворотные шифраторы:
основные типы и некоторые особенности применения
Первичные измерительные преобразователи (датчики) являются главными чувствительными органами измерительной аппаратуры и всех устройств систем контроля и управления. Эффективность автоматических устройств и систем управления технологическими процессами в значительной степени определяется качеством датчиков.
Виктор Жданкии
victor@prosoft. ru
д
Пі
Вход
о
Выход0-
61
Выход'-
Вход-
•І
Ри". 1. Основные принципы «адиромик*: о — с помощмо щеток- 6 — с ломощно OflTXNOCXOfO устройство- • - с помощью МОГИИГЖХО устройстоо
ЛЯ улучшения мстролошчсских И информационных характеристик существующих и |разрабатываемых пшоп датчиков, ВУЗами и научно-исследовательскими организациями постоянно проводятся научные исследования, изпсстиы ми зарубежными фирмами разрабатываются принципиально новые конструкции дат» кон на осиокс применения гехнологиП и материалов мнкроэлек тропики. В результате достигается нысокам воепро нзволимостьфизнко механических свойств и геоме трнческнх параметров основных конструктивных •лементов, существенно снижаются погрешность, массо габаритные показатели и стоимость датчиков. Мри модернизации существующих типов датчн
ков преследуется цель снижения их погрешност и, расширения пределов намерений II повышения устойчивости к условиям эксплуа-тлцни. Обычно модерннаацнп подпср|аются ллтчики траднцн онных копарук-цпп с преобллдл-инем элементов электромеханики. и улучшение метрологических н информационных характсрнс* гнк достигается применением новых. болеесовре менных конструкционных ма т с р и л л о в, введением в на мерительную схему дополнительных гермоком-и ей С пру ЮIII их злсменюв. Кроме
Непрозрачный сегмент П|юзрачная
Перемещение
• Светодегектор
Магнитный Немагнитным элемент элемент
Перемещение
того, устранение нычнтельной части системлт кнх ногрепи остей осуществляется -ы счет ней: папин микропроцессоров, что позволяет прог предварительную обработку намерении, полг них и вылакать нм не аналоговый, а цифровой нал. проводить самодиагностику и г. п. 111.
Актуальной задачей в системах автомат- управления является измерение линейных и, вых перемещений, для ее решения II настоящее мм широко используются преобразователи, сог иыс с применением различных физических пр: нов. К наиболее известным методам изм параметров положении относятся:
• потенциометрический-
• емкостный-
• индуктивный (индуктивные дифферешг преобразователи линейных перемещений/& quot- вых перемещений — LVDT/RVDT, планарные дукгннные катушки) —
• иснользуюшнн эффект Холла-
• использующий магниторезистнвиый эфе
• на основе явления маг ни гострикцин-
• оптический.
Для реп сипя задач измерения зшічнтсльїі
ремещеиий (более I м) используются кодиру преобразователи. Кодирующие устройства і раторы) представляю! собой иреобраЗовлт которых на ныходе в цифровой форме прел юте я воспринимаемые ими перемещения. Л ные перемещения воспринимаются линейц угловые — угловым или поворотным кодг шим устройством.
На рис. 1 показаны линейные н угловые иг ные кодирующие устройства, созданные на различных принципов кодирования: с помои точного кодирующего устройства, оптического ройства либо с помощью магнитного устрої 11л практике в промышленной poooiorexintw. ствах механизации. числовою программного^ ленин и других промышленных снсгемлх ynj и контроля широко используются ДІМ ОСПОЮ'- оптических угловых кодирующих устройств: t горы прирашеннй и абсолютные шифраторы.
В данной статье представлены некоторые сведения о принципах действия обоих гипсе рлторон. нх конструкции и эксплуатации.
Измерение перемещений и углов поворота
1{нфроные и імереиия. мшенных перемете ніш (длин) н углои поворота, н частности функциональных элементов рОООТОВ п мсгал-юобрабатыиаюишх стан кои, можно осуществ-
лять так называемым методом считывания с использованием кодирующих линейчатых масок и кодирующих диском. На них нанесены кодирующие дорожки и виде темных (соот встствуют *0*) н светлых (соответствуют -1 *) элементов |3]. Примеры кодирующих ЛІІІІЄЙ чатых масок показаны на рис. 2.
Значения разрядов
6 ъ % & gt-Г ГТ Т'-Т щтт

й 1
'-Ъ
8 ъ, А & quot- ' 0
8 10 12 Ы 16 18 20 22 24 26 28 30
Рис. 2. Прииерм кодирующих линейчош* масон: о — двоиччо-кодироеаммош моско- 6 — моею в «оде Гре*
ОППЫП. ШНС кода и получение соо гнете пн ющнх сні ішов обычно осуществляется он гоэлектронным СПОСОООМ (элементы дорожек просвечиваются). Разрешающая способность масок ограничивается различимой длиной элемента кода. При магнитном способе счи тываннм она составляет примерно 0,1 мм. а при фотоэлектрическом — порядка единиц микрометра, го есть существует механический предел их чувствительности. Оптические шифраторы приращений нитсрферометрнче-ского т ипа обладают существенно более вы сокой разрешающей способностью за счст аффективного увеличения расстояния между чувствительными сегментами
І Іа рис. 3 кока ин кодирующий диск, кодо вые дорожки на котором нанесены концепт рнчески. Диапазон намерений равен 360° Раз
Код Гроя
Измеренное значение Истинное значение
Рис. 3. Кодирующий диск
і і
і: :

і
шштш
решающая спосооность такого диска определяется длиной окружности с наибольшим ра днусом.
Для таких кодирующих устройств характерна специфическая погрешность, вызываемая неоднозначность о считывания кода либо по нрнчннс поиддлнзя в рабочую юну считывающих элементои границы между соседними столбцами (словами) либо из-за плохой кісти ровки. например из-за угловых отклонении ЛНІППІ позиционирования считывающих элементов. как это показано на рис. 4.
При простом дпончном кодировании ошибка из-за неопределенности считывания, ранная единице младшего разряда кода, можім вызван, для ряда чисел перенос единицы и і. гаришй разряд, вследствие чего мнннмаль нам ошибка трансформируется в максимальную. Для уменьшения указанной погрешности вместо двоичною кода используют код I рея. И коде Грея изменение младшего разря дана I вызывает изменение только соседнею старшего разряда (рис. 5),
і
Рис. 5. Кодирующий диск дм гем"роции 3-роцядного подо Гр*» Я упрощенно! СХ"МО абсолютного шифроторс угпэюто положенні
6 7 8 9
ООП0 вместо 110 15 вместо 18 ошибка минимальна
8 вместо 7
6 7 8 9 11 110 вместо 10
Независимо от тою. какой код используется в шифраторе, измерительна" система. юлжна сто преобразовывать в простои лпо ИЧНЫЙ инфроион кол
Погрешности шифраторов с обычным би парным кодом можноминимнзировать также с помощью методов сканирования, которые обычно реализуются и счет включення двух преобразующих элементов на каждую дорож ку. При ном ведущий элемент располагается несколько нпередн ведомого. Данные обраба тыкаются внешней логической схемой [2|. Принцип любого нз данных методов заключается в том, чю вне зависимости от нсполь-іуемою простого двоичною кода последовательный переход системы из одною состояния в другое должен сопровождаться изменением состояния младшею разряда кода. I |ри увели-
значение
значение
6 7 8 9
100 вместо 10 00/00 вместо 110
4 вместо 8 7 вместо 8
Рис. 4. Иллюороди* иесдпоїжічиостм ропміоии* хода с моекм- о — при граїшчмом положении считм"ающмх мвмеміов- б — при немрной юстиромв іпсмвто* счит""*ами" кодо
чении двоичною ЧИСЛА, если млллшии разряд и тменяет свое состояние на Он I, не должно происходигь изменений н друг их разрядах- ес. 1н младший разряд переходит из I и 0. то как минимум еще одни разряд должен изменить свое состояние. При уменьшении двоичного кола все происходит наоборот. Внешние логи ческис схемы должны интерпретировать эти случаи и осуществлять переключения между ведущим н ведомым преобразующими эле ментами, так, чтобы обеспечить однознач
НОСП. ВЫХОДНОГО КОЛ.1.
Одним из недостатков любого дпоичиого цифрового кода является то, что общее число комбинации в последовательности равно некоторой степени числа 2 (например, из •! раз рядного кода Грея видно, «по общее число ко дов 24=16). При использовании поворотных шифраторов не исключена ситуация, когда может потребоваться, чтобы выход преобразователя отображал угловое Положение объекта непосредственно в градусах. Поскольку в одном полном обороте диска содержится 360°. в этом случае получается двоичный цифровой циклический код, напоминающий кол Грея с. '-60 различными „слонами“. И га ком шифраторе обычно используется элек тронная маска, которая при прохождении диска от 359° к 0° генерирует на выходе при ('юра нулевой кол. не создающий проблем не-олношачностн. так как все нули генерируются от одного и того же сигнала и возникают одновременно.
Абсолютные шифраторы и шифраторы приращений
Шифратор приращении индицирует голь-ко перемещение при движении от начального соетояння, а абсолютный шифратор индицирует абсолютное положение. В абсолютных шифраторах углового положения используется электромеханический способ аналою цифрового преобразования, предполагающий непосредственное преобразование угла ново рога вала в соответствующий цифровой вы ходной сигнал, который может быть использован для обработки и интерпретации информации любым измерительным комплексом.
Абсолютные шифраторы применяются в тех случаях, когда устройство бездействует в течение продолжительных интервалов време ни или перемещается с небольшой скоро стью. 11римсрами таких устройств могут быть задвижки управления подъемом воды, телескопы, грузовые краны н т. д.
В традиционном абсолютном шифраторе маска на диске состоит из ряда коипснтричес кнх дискретных дорожек с числом периодом на один оборот, удвоенным па каждой следу ющен дорожке увеличенного радиуса. Каждая дорожка имеет собственные фотодгтекторы, и расположены дорожки так. что показания всех детекторов генерируют параллельный двоичный код (рис. 6), обычно код Грея. Ире имущество которого мключастся в измене ннн только одного разряди при переходе в последовательном счете от одного числа к дру тому. Например, шифраторе 12 дорожками будет генерировать 4096 слов за один оборот
Г~ 1 — - 4-я дорожка 3-я дорожка
_J 1 2-я дорожка 1 -я дорожка
Шаг дорожки

Рис. 6. Число дороже* JOBMCMT

вала. Опгомехииика и электроника считывания кода іакого шифратора являются зиачи тельно более сложными и дорогостоящими, чем у шифратора приращений. Тем не менее он имеет существенное преимущество: предоставление информации тотчас же после запуска, без процедуры возврата в исходное положение.
Двумя другими характерными свойствами абсолютных шифраторов являются следую щне:
• так как шифратор генерирует параллель ный двоичный код, просто и непосредственно обеспечивается сопряжение е любым микропроцессорным оборудованием или устройством индикации-
• шифратор -запоминает» тайные о положении посредством кодированной маски лиска. т. е. нет необходимости постоянно накапливать данные с его выхода- данные просто считываются всякий раз, коїла не обходимо определить текущее положение. Абсолютные шифраторы по принципу действия делятся на однооборотные и миогообо ротные У однооборотных шифраторов одни оборот вала (360″) делится максимум на 8192 отсчета (13-битовый код измерений). После каждого полного оборота код возвращается к своему начальному значению. Контроллер шифратора не распознает количества сохраненных оборотов.
В дополнение к кодирующему лиску, применяемому в однооборотных шифраторах, мноиюборотные шифраторы имеют встроенный редуктор, который является подчиненным и закодирован таким образом, «по может быть обнаружено до 4096 оборотов (12 бит). По ному полная разрешающая способность абсолютного шифратора составляет 25 бит: 13 бит — однооборотнан разрешающая способность и 12 бит количество оборотов. Этот тип шифраторов, характеризующийся боль ¦ним значением допустимого числа измерений (33 554 432), может быть использован для длительных по времени применений, требу ющнх для управления более одного оборота приводного устройства (например, зубчатая рейка и шестерня, подающий винт, шкив иди конвейере ременным приводом).
Абсолютные шифраторы могут исиользо ватт, различные колы, но наиболее распространенными являются коды Грея, двоичный, двоично-десятичный с весами 8−4-2−1 (ВСО). Используется также модифицированный кол Г рея, являющийся частью полного кода I рея.
В некоторых моделях абсолютных ши юрой предусматриваются всиомогятельн входы:
• ЫсЬ (фиксации данных) — информация положении обьекта может быть еохран-'- в абсолютном ионоротном шифраторе. Г) средством подачи команды I^ich всем & quot- лютным шифраторам системы устрой управления способно временно сохран значения углового положения шифра! и затем постепенно вводить данные для работки-
• Tribute переводит выходные каскадыгб1 лют зою шифратора с параллельным терфейсом в пысокоимпедансное сос пне, что дает возможность нескольким фрлорам работать с одной Ш обработки сигналов-
• Prciell и Presei2 (предустановка) — ни- нос значение шифра юра может быть ус иовлепо в положение, равное углу 0 или
• Counting Direction — изменение II. III них счета на противоположное. Шифратор приращений генерирует
ходные импульсы, которые полечит иг ся реверенвным счетчиком, показания горого соответствуют тому, как далеко * или полоска (для линейных колирую устройств) продвинулись от начала от& lt- та. Чаше всего применяются два чу тельных элемента, расположенных н гг, рззователе таким образом, что их них един нуты относительно друг друга IU по фазе. В этом случае можно исполь: специальную лотичеекую схему для о[ деления направления перемещений н,& lt-* довательно, для определения того, п мом или обратном режиме должен сч счетчик.
Шифраторы приращений могут быть сьфииироваиы следующим образом.
I. Од покапал ьные (тахомегрическне) торы применяются для измерения с пли частоты и не могут быть испол для определения направления пере ннн. Выходной сшнал обычно преде ет собой периодическую импульсную следовательность (рис. 7, а).
о) мкодиом емгиал однсиамо/чмого шифраторе
: =0-'-
6) „ыходние огкалы Д*уМОЮПіЛОГО шяфрстор
в) иаодныо ovxokw и маркеры трехш*олыю& gt- шифратора
Рис. 7
Двухканалмше шифраторы, генерирую ШНССДПИНуТЫС ОТНОСИТСЛЬНО друг лругл И“) фазе на 90° выходные периодические им иульсные последовательности (рис. 7. о), иоаволиют с помощью внешних логических цифровых устройств определять на правление вращения вала и иким образом делаю г возможным двунаправленное позиционирование. Сигнальные последователь носги. предоставляющие информацию, закодированную в соотношении фаз двух выходных сигналов, называются квадратурными сигналами.
Направление вращения определяется по на* что опережения или отставания по фазе пила канала, А относительно сигнала кана-8. В случае применения шифратора тахоме-ического тина может возникнуть ошибка. а шифратор остановится на гр. ннщс чувепш 1ЫЮЮ элемента. В результате воздействия л вибрации устройство будет пересекать эту лннцу в прямом и обратном направлениях, егтак будет подсчитывать каждый переход, же несмотря на фактическую остановят сис им (явление позиционного дрожания), явухианалыюм шифраторе, благодаря нс-шьзованию квадратурного определения и палению изменении взаимного состояния „тпололожных каналов, генерируется до ouq4i. ni шк^юрмашм о направлении праще I*. Величина скорости определяется носред-И& gt-М измерения либо интервала времени эсду импульсами, либо числа импульсов в клслах временного интервала.
Квадратурное намерение обеспечивает, но теине одно- (1х). двукратной (2х) или че трехкратной Их) разрешающей способное —
I диска абсолютною кода. 10 000 импульсов оборот можег быть получено от двухка-ш. ною шифратора с 2300 угловыми отсче ми. что при качественном лиске и правил!, кфазнрованном шифраторе обеспечивает ииюстьвыше Ч: величины отсчета |4). Трсхканальные (шифраторы прнращеппй ге фируют гак на тываемый нулевой импульс, лорый вырабатывается один раз за оборот аз и имам следующие названия: сигнал ре гриоО точки, маркерный сигнал, сигнал не
!^Н& gt-СН>-СН1
-ск& gt-н^н>-{>-о
мин
___і і________і і_________і----1____
Ц „_________Г і_________f і_________г
і)умм& lt-4мм ра& gt-рвиающей способности в 4 раю ЬсІ
ходной точки, у'--сш нал. Он может быть не привязанным к основным каналам (нулевой маркерный сигнал 01). логически связанным с сигналами каналов, А или В (нулевой маркер нып сигнал 02} пли логически связанным с сигналами каналов, А и В (нулевой маркерный сигнал 03). Маркер 01 иестробироваиныИ с длительностью импульса больше, чем ллн тельность импульсов канала, А или В. Маркер
02 — стробированный с сигналами, А или В. допускающий длительность импульса & gt-0% но рнола. Маркер 03 — стробированный с сш на лом, А и В, допускающий длительность им пульса 25% периода і рис. 7, ві.
Дифференциальные выходы применяются для надежной передачи информационной, но сылки между достаточно удаленными устройствами и/или в условиях помех (рис. К, а).
Число измерительных интервалов может быть удвоено посредством выполнения операции сложения по модулю 2 (исключающее I (ЛИ) сигналов, А и В (рис. 8. б). Это создает возможность для увеличения разрешающей способности в 2 раза.
Увеличение разрешающей способности в •I раза может быть выполнено посредством измерений нарастающих и спадающих фронтов периодических импульсных последова тельностей каналов, А и В (рис. Н. в).
В рамках проведенной классификации покажем некоторые особенности шифра трои.
Оптические шифраторы приращений интерферометрического типа
I (итерфсромстрнчсскнй принцип позволяет оптическим шифраторам считывал, снеговые сигналы, пропускаемые через прорези на вращающемся лиске толщиной около I мкм. значительно увеличивая точності, устройства |5].
За последние 50 лет конструкция оптического шифратора приращений изменилась незначительно. I раднннонный шифратор при ращений (рис. 9) в своей основе состоит из источника с вега, неподвижной маски с уста новленным шаблоном непрозрачных нгтри хов, закрывающей прохождение света через прорези вращающегося диска, фотоэлектри ческого диода на стороне лиска, расположен ного напротив источника света, н узла обработки сигнала.
Так как диск вращается, свет либо проходит через одну из прорезей, либо попадает в пространство между двумя прорезями. Иропус каемые вспышки света выявляются фотоде ісктором н воспринимаются узлом обработ кн сигнала как единица, отсутствие свега нитериретнруегся как нуль. Генерируемый та
ким образом сигнал представляет собой бинарны, А спектр, соответствующий ряду напряжений, пропорциональных углу поворо та вала, на котором установлен диск. Гак как процессор должен „зиить“ предыдущее положение вала, для того чтобы вычислить новое местоположение, на внешнем крас диска обычно размещается специальная реперная прорезь, используемая для обнуления после сбоя в системе питания.
В технологиях производства дисков шиф роторов за последнее время были проведены существенные усовершенствования. Совре менные компоненты, такие как светодиоды и пороговые считывающие фотоэлементы, обеспечивают высокую надежность. Тем не менее пороговая величии точности шифратора по-прежнему определяется его способностью точно детектировать свет, проходящий через 5000−100 011 прорезей в кодирующем диске, каждая из которых шириной около 10 мкм. Свет не может пройти прямолинейно через более узкие прорези. Прост ая геометрическая модель распространения световой энергии не работает с тонкими (узкими) прорезями. В этой случае наблюдаются отклонения (девиации) в непосредственном соседстве теней, выражающиеся в появлении темных и светлых линий, известных как интерференционные по. -икы. Попытки усилить сигнал от этих полос & lt- помощью электронных устройств дают обиалсжнваюшнс результаты, но тем не менее !-с обеспечивают достаточной точности.
Физика явления интерференции лежит в основе нового способа построения шифраторов. Два источника возмущения создают две группы концентрических волн, которые формируют интерференционные картины в точках перекрытия.
Оптическая интерференция гребует устройства, посредством которого свет от источника, разделенный на два луча, затем совмещается. I (нтснснвность света в зоне суперпозиции меняется от точки к точке между максимальным значением и минимальным, которое может быть нулевым.
Для применения явления интерференции в шифраторах необходимо решить три технолог нческие проблемы:
• каким образом разместит!, интерференционные экстремумы непосредственно на оптическом диске:
• как создать прямолинейные интерференционные линии, равные по ширине прорезям на диске шифратора
• каким образом минимизировать потери энергии света.
Для того чтобы сформировать картинку тпнейной интерференции, требуются две плоские волны. Даже очень небольшое откло пение от абсолютиоП плоскостности волнового фронта будет причиной того, что линии изображении станут непараллельными и не-ирямолннепными. Поэтому необходимо ПС пользование прецизионных отражателей, призм или светделптельной пластины.
Рассмотрим элементарную формулу интерференции:
I) = 1/мпц.
Рис. 9. В традиционном шифраторе приращений см!, до того как ом достигнет диска шифратора, проходит черв“ оптическую иосху, так к ах диск іроидав“. а, фоюдетесгор получав» не больше попои-им начальном кхмтки черві каждую прорезь диска
Здесь I & gt- расстояние между линиями или их ширина, I — длина полны светового излучения, ч — угол, под которым пересекаются ДПС волны.
Дяя шифратора с переменной разрешаю -шеи способностью веднчннд I) должна быть регулируемой. Для этого необходимо иметь возможность наменять угол ц. Решением ян* ляется применение Двух отражателей.
('-встодслитсльиан пластина была разработана для устранения дифракционных пятен и юбраженнй, полученных и когерентном слете (спекл). и потерь энергии. Кроме тою. се использование делает конструкцию шифратора н целом ташищенной от пыли и предо-храпнет от внешних воздействий отдельные детали.
В конструкции современного шифратора свет ог моиохром лот ес ко то точечного источника проходит сначала через коллиматор, который посылает когерентный л у4! света через диафрат му, ирндаинцую лучу форму, псобхо днмую для перекрытия светочувствительных юн всех четырех фотодетекторов. Затем свсг проходит через свстоделнтсльную пластину, которая разбивает его на два луча с одинаковой яркостью (интенсивностью) и направляет их иод точным углом для & lt-|юрмнрованни интерференционной картинки, соответствующей картинке на диске, помешенном в поле нигерфереицнн.
Между коллиматором и светодслительной пластинкой размешены два отражателя, которые могут был. использованы для настройки параметров интерференционной картинки. Iкыирн. шшр, размещенный после свсголслн-тслыюп пластины, служит для увеличения контрастности интерференционной картинки посредством уравнивания направлении поляризации двух лучей. Основные компоненты подобных шифраторов показаны па рис. 10.
Рис. 10. Дм обкле-миот стабильности оптической оствмн к" «омпомвкгы светоделитег*но» пластина отражатели и источник света — установлен на прочном алюминиевом основании
Ха рис. 11 показан шифратор приращений, использующий оптический диск с четырьмя рядами свегоп о глотающих полос, едмшугы-ми на V, периода друг относительно лруга. Комплект, С (Ктояшнп из четырех Фотодетек¦
торов, воспринимает свет, проходящий меж лу полосами на диске, поэтому сигналы «|к& gt- годетскторон также сдвинуты по фале на Ч4 периода. Две группы из двух полупериолных сигналов фотодетекторов используются в до ПОЛШГГСЛЬНЫХ усилителях ЛЛЯ формирования сдвинутых на •/ периода выходных нослсло вагельностсй по аналопш с описанными pa нее шифраторами приращепий.
Метод, основанный на интерферометрии, создает настраиваемые параллельные линии света тоньше І мкм& lt-рнс. 12), позволяя разме-еппь 327fiX линий на диске шифратора.
Рис. 12. Интерферометрический метод создает тонкие пароллелвныв ПОЛОСЫ СМТО, НО О^вМк коротких (ххсто"ми"х
It случае, ми да диск перемешается, интен спвность света на входах фотодетекторов изменяется- нодсіет соотвсгствукииих сигналов в обоих направлень *г. делает возможным вы являть реверсивное движение (рис. 13).
1 г

1 1
10 утповы» секунд
Сигнал А
Сигнал В
(допустимое отклонение 2 угловые секунды & gt-
Рис. 13. Два сигнала, посту пакнцие от фотодетектора, сфа& gt-ированм так. что влвктроиным улравлвющим у стройством может быть обнаружено движение по носовой стрелке или против нее
Технические требования по выбору шифраторов и их установке
Современным инженерам и системным ни тетраторам приходится решать сложные: ида ЧИ по выбору компонентой системы в уело виях дефицита времени и существования множества альтернатив. Одним из основных компонентов многих систем автоматизации является шифратор. Гак как время наработки на откат является существенным параметром любой системы, шифраторы должны быть корректно встроены н систему и подобраны
таким образом, чтобы оптимизировать ркхм чне характеристики системы и не снизить надежности.
Вольная часть шифраторов является пшф-1 раторами прнращешш пово|ютного тина. Оная герметизированы в целях зашиты от пыли. ¦ рязи. масляных брызг или воздействия н. uni I Ikeiiti необходимо включать в качестве нут. та спецификации уплотнение вала поворотно* ю шифратора, которое защищает зону, где ш входит в корпус шифратора и захватываете! полтинником. Защита ион юны преследует цель обеспечения эксплуатационной долгом* j пости подшипника и шифратора в целом. В. в- j внсимосгн от применяемых стандартов cymr j стнукгт различные обозначения сгсненн uum-l ты изделии от попадании внутрь твердый посторонних тел или волы — II' или NF. MA. 1
Выход из строя подшипников является рос-J иросграненным конструктивным or калом] шифраторов, вызванным повышенными in I грузками. Именно подшипники обеспсчныя юг компактность конструкции вала и узлаош воротного диска, влияют па точность и стая билыюсть выходного сигнала в течение ком срока службы устройства.
11ОЭТОМ)'- конструктивный ресурс IIOBOpOll пых шифраторов и основном обусловлен ш I грузкой, которой подвергается узел подшно ! инков.
Должны учитываться два типа нагрузок нал: радиальная п осевая. Радиальная нагрузи
нормальная составляющая силы, прнлижа ной к валу. Осевая нагрузка — сила, когор* приложена параллельно оси вращении пш СрОК с/пжбы ПОДШИПНИКОВ ОПрСДеЛЯСКЯ к сколькими факторами Этот срок сокращаете при увеличении осевой или радиальной ш грузки на вал. I (о этой причине допустимая* личина нагрузки на вал или перекос валов все | да должны бьпь планы при установке шиф раторон.
Фактический срок службы подшипника висит и от частоты вращении. Вол ее выо скорость вращении сокрашаег ресурс пол ника. В наихудшем случае, который про гасг высокое значение нагрузки на ваигарм сокой скорости, срок службы подшипника дет значительно меньше ожидаемого зи Млентнчные силы, приложенные к Ba. iv пониженных скоростях вращения, не быть причиной беспокойства относит срока службы подшипника.
Нрп монтаже шифраторов необходимое мнить следующее обстоятельство: радиол нагрузка на вал линейно увеличивается по ре удаления места приложении усилия от шипннка. Это весьма похоже на удержат! тяжелого предмета на вытянутых руках. [¦ установке на конце вала шкива или зу го барабана срок службы подшипника м снизиться. Эти же законы действуют, используются удлиненные валы. Таким зом, всегда лучше устанавливать шкив, nj чатый барабан, колесо или любое Другое ройствокак можно ближе к подшипнику.
Друшм фактором, влияющим из службы иодшнпннка, является тепло, Во: ствня чрезмерно высоких температур уменьшать количеств*" консистентной сяД
ЧОШ1
А
н пая
Рис. 11. Нопровреииі рослростромеии* света в шифроторе прирощений
ки п полтиннике. а «го, и свою очередь. может принести к отказу.
Постороннее вещество. ЖИДКОСТЬ 11/111 твер ділі предмет, попадая п шдошппик, также мо жег быть причиной быстрого отказа, гак как шарикоподшипники являются прецизнонны ми устройствами с крайне критичными внутренними [шорами и псе, что способно нару шить ли зазоры. непременно сократит ожидаемый срок службы. I 1о тгон причине большая масп. моделей шифраторов поставляется с ОШЫ1НКОПЫМН уплотнениями вала.
Га ким образом. дли тою чтобы реали мвать максимально возможный ресурс шифратора, необходимо СоблюДДТЬ требуемые меры предосторожности при монтаже устройства, обеспечить точное цеігтрнровашіе вала н сне инфицировать необходимое уплотнение ва лл. когда это нужно.
Правильный монтаж шифратора является главным условием его эффективного приме нения. Если дна валл не могут быть точно со пряжены или осі. вращения нала не совпала
о с сто геометрической осыо, то в этих случа я вал поворотного шифратора должен соединяться с ведущим валом посредством гибких соединительных муфт (рис. 14).
Рис. 14. бммииий „ид „онстру"ций гмбяих муфт i^MPeppe-UFvchiGmbH
Для шифраторов с пустотелым налом могут быть применены соединительные рычаги, шкивы (ролики), штифтовое соединение. Дня систем, п которых применяются ролик И ре-мснь для ирнпеденим н движение шифратора. КОбхОДИМО обеспечить іьютную посадку ступицы ролика на валу шифратора и натяжение jvmiiu посредством иод пружп нашогонатнж лого ролика, который ограннчпнает влияние бокопых пагру. юк на вал шифратора.
Требования к выходным сигналам шифра тиран могут быть простыми или чрезнычай, но сложными вследствие широкого рззпооб-}ЦДНЯ применений этих устройств.
Основным критерием функниональностн впфратора является его основная разрешаю оып способность или число циклов нключе мя/выключения на одном выходном канале „ріс полном обороте нала. Выбор разрешаю ней способности шифратора зависит от ею грнмеиения. Для определения мерных длин и линии резки разрешающая способность йшгг быть определена допуском на местопо шхенне разреза с разрешенным отклонит v tl импульс шифратора. При регулирова
нни скорости определяющими факторами яв ляются нремя отклика и возможная полоса пропускания системы. В случае позиционно то регулирования требования к разрешающей способности определяют ТОЧНОСТЬ ПОЗИЦНО инрования и допустимое отклонение из-за конструктивных факторов.
Обработка квадратурных сигналов
Не так давно при синтезе цифровых устройств обработки сигналов с шифраторов пользовался популярностью метод, основанный на обнаружении фронта. I (ара*, тающие и спадающие фронты сигналов, поступающих“. шифраторов, служат своего рода спусковым крючком, вызывающим формирование отсчета. 11о каждому фронту электронная схема не только генерирует одиночный нмиульс счета, но и определяет направление перемещения, используя информацию о текущем направлении отсчета (прямое или обратное), о харак г ере перепада сигнала п состоянии сигнала другого канала, как показано н табл.!.
ные устройства имеют в споем составе высокоскоростной генератор тактовых сигналон. и постоянно производится опрос состояний анналов каналов, А и В (рис. 15). В случае котла обнаруживается изменение, счетное уст ройсгно выбирает прямое или обратное направление счета, но логике (табл. 2). Вместо гою чтобы ожидать запускающий фронт от шифратора, цифровое устройство генериру ет собственный сигнал запуска, исходя из ре тудьтатон анализа изменения состояния капа лов шифратора.
Наряду с ними носсммо разрешенными изменениями состояний (А. В), существуют также четыре комбинации, которые означают возникновение ошибки: (0,0) -& gt-(1. 1), (1,1) (0. 0). (0,1) -& gt- (1. 0). и (1. 0) & gt- (0. 1). Данные ошибки означают, что по крайней мерс одно состояние было припутаю. Схема пользователя должна вырабатывать сигнал, нреду преждаюшнйоподобных ошибках.
Так как сущест вуют четыре различимых со стояния (или фронта) и период, то обычно использовали преимущества собственной
Таблица 1. Определение мапраїлеии“ перемещен*“ по сигналам д"ух конало*
ОТ НОМ NOHpOlMNNN
Конов, А Ко-а-В Камея, А Канав в
Счет 1 пр"мОы пдорс*л"мим Высоси* уро"е"* |г& gt-оо~"<-„о“ 1) C-WT 1 гцииом ноороьячі»" Миссии уром". («Ю"чеаий 0)
Счет • обратном „іправлеи** Ницим уроіемь (пО'-ич.С. ий 0) Сч“. і обратном 8*КО (Г"й уромиь („ОГИчеИО“ 11
Ни|ди» урс""". (попс^осий 0) Счет * пр*"ом иопрамевии Ви& lt-0. ин уромиь (логичеиа" 1| Счет • пр*мом иопромемим
В"*С0*ий урмек" (попонок" 1] Счет • обратном иОАрамеиин Ниций уро""и" (ло"іг"Сжмм 0| Счет • обратном нспродеемии
Таблица 2. Определение нолро*л* ни" перемещение по логическим состо"ни*м «снслэ»
Перемещение, нопроалойное «перед Перемещение ¦ обратном направлении
Копал, А Комол В Комол, А Комол В
От СОСГОІНИ* К состоеиию От состоемиа К СОСТОЯНИЮ
А & amp- А 8 А в, А 8
I ° 1 1 1 0 1 0 0
1 1 1 0 1 1 0 1
? 0 0 0 1 0 1 1
0 0 0 1 0 0 1 0
разрешающей способности шифратора. В на стоящее время есть иловые микросхемы, осу ществляюшне квадратурное декодирование, полому пользователям нет необходимости синтезировать собственную пифровую схему.
При прежнем методе регистрации фронта было важно, чтобы сигнал начала отсчета (INDEX) был привяли к конкретному переходу из одиого состояния в другое, в противном случае прсменшя стабильность сигнала INDEX будет потеряна. При сигнале INDEX иолиопернодиого иди полунернодною (|юр мата подаватель должен стробировать его
Канап, А I_____________І і_____________1
Канал В _1 1____________і
25% периода ____________________________I |_________________Сио*роминм»
50% периода ______________________I I____________Стюоиромниыя
Полный период ____________I 1 н& lt-стромроиииыи
Рис. 16. Обробопсо оадратурмыл сигналов
В современных цифровых устройствах используются не фронты, а изменения логических состоянии. Как нрапило. цифровые счет
Канап, А 1
один полный период -4 «-
Канал В «1 г~1 1

Рис. 15. Определение полного периода д"удиаиа"иого шифратора прирощений
высокое состояние с высоким состоянием сигнала канала, А и перепадом сигнала канала В. РсзультирукпииН стробированный сигнал нсепы будет совпадать С ОДНИМ II тем же фронтом сш нала канала В.
Что касается современных цифровых уст ройств, то здесь более важным представляется привязать INDEX к конкретному квадрату рно му состоянию. І Іользователь может в этом случае пробировать высокое состояние нолноие риодпого или палуперподного сигнала INDEX с высокими значениями логических состояний каналов, А и В. Результатом будет четвертьпе риадныП INDEX (рис. 16), который имеет вы сокое логическое состояние при аналогичных состояниях каналов, А и В. Многие современ ные ншфр. иоры приращений сами формируют четвертъпериодный сигнал INDEX.
При реализации метола, основанного на регистрации фронтов, зачастукьбыло удобно иметь шифратор, который не только определял число фронтов за период (1.2.3 или I). но и сразу же предоставлял информацию о направлении движения. Это было в те времена. когда многие компании прелагали шнф раторы «. импульсным выходом. Выходной импульсный сигнал отличается от сигнала, представляющего собой периодическую им пульсную последовательность, двумя важны ми снойствами (6):
• длительность импульса является фиксированным временным интервалом, тогда как длительность импульса в последовательности является функцией скорости (расстоя пне между импульсами, соответственно, ни ляется функгиіей местоположения) —
• -квадратура* не имеет смысла при им нульсном выход г, импульсы I'-WD (направ денне перемещения вперед) формируются на одном выходе, а импульсы REV (нсрсмс шенне и обратном направление) — на другом (или импульсы формируются на одном выходе, а информация о направлении лип жен и я на другом).
Модели шифраторов с импульсными пы ходами были довольно популярными одно прем я. но совершенно потеряли свое значение после того, как стали доступны новые микросхемы квадратурного декодирования, и спрос на. ии модели со стороны заказчиков, применяющих современные технологии, редко сократился. В новейших шифраторах импульсные выходы более пе предусматри ваются.
Однако шифраторы с импульсным выходом оставили свой след в терминологии. Широко используется словосочетание -число импульсов за один оборот- (pulses per revolution PPR) лаже n тех случаях, когда на самом деле имеется в виду число периодов квадратурных периодических последовательностей импульсов м одни оборот. Поскольку шифраторы с импульсными выходами псе еще применяют ся, многие производители поворотных шифраторов рекомендуют применять термин -импульс» лля обозначения отклонения напряжения или тока от некоторого постоянного уровня (в частности, от нулевого), наблюдаемого в течение некоторого времени. Если же этот термин используется совместно со словом
& quot- квадратура*, то, есгест веино, подразумевают ся «периоды/оборот-.
Вместо «4Х умножение- и «4Х регистрация фронтов- лучше иснольювлть термины «ква дратурное дешифрирование- и •квадратурная обработка».
Рекомендуется применять термин -импульсы счета/оборот- для обозначения того, что получается после дешифрования- допуст имы ми также яиляются термины -иыхолные единичные перепады» или -измерительные перепады».
Английская аббревиатура (. РК означает сус! с*/гсу (периоды/оборот) или соипЫгех1 (импульсы счета/оборот), поэтому исполь зовать эту аббревиатуру необходимо осмо грителыю.
К вопросу о точности
В мире шифраторов часто смешиваются термины -разрешающая способность-, -точ ность- и «воспроизводимость-, и иногда их даже считают синонимами.
Разрешающая способность характеризует -ся количеством одиночных импульсов счета, генерируемых шифратором, на единицу из мерения расстояния. Для шифраторов при ращении разрешающая способность выра ждется либо в угловых единицах (градусы, минуты, секунды, десятичные ірадусм, гра диеизы иди радианы), либо числом интерва лов намерения за один оборот вала (напри мер, 10 (ЮО отсчетов/оборот). Часто для удобства Последующей цифровой обработки интервал измерения (шаг измерения, измерительный шаг), интерпретирую г как «бит», характеризуя наивысшую разрешаю тую способность показателем степени числа 2, например 16-битовый шифратор гене рирует 2, ь = 65 536 отсчетоп/оборог. Разреша юшая способность является основным параметром шифратора.
Точность — это мера того, насколько соот всгсгпуег показание шифратора истинному значению. Величина точности почти всегда выражается в угловых единицах, несмотря на то что некоторые составляющие погрешности могу т иногда представляться в электрических градусах, которые затем должны быть переведены н угловую меру, прежде чем суммиро влться с другими ошибками. Гочносгь и, но грешность отражают различия между изме репным и истинным местоположением, нос несколько разным подтекстом: точность по-казывлег, насколько близко найденное местоположение к истинному, в то время как погрешность демонстрирует, насколько велико отклонение измеряемой величины от истинного значения.
В то время клк разрешающая способность шифратора определяется в процессе его проектирования и производства типом установленного колирующего диска и классом воспринимающих и обрабатывающих электронных узлов, погрешность шифратора является функцией факторов окружающей среды, таких как температура, иат рузка на пал и срок службы.. Эго не значит. что число отсчетов за один оборот вала изменяется- такое может
случиться только в результате тяжелого повреждения или загрязнения кодирующего диска или подшипников.
Несмотря на го что точность является не-огьемлемон характеристикой всех шифраторов, ее не всегда правильно определяют н ист унификации в описании определяющих точность технических характеристик шифраторов ратных поставщиков: одни вдаются в излишние подробности, дру» не предоставляют ограниченную информацию, а некоторые лаже не упоминают этот параметр.
Следует подчеркнуть, что разрешающая способность и точность непосредственно ВС связань между собой. В шифраторах с более высокими рабочими характеристиками погрешность иногда может быть равной множеству отсчетов или может быть малой частью одного отсчета, в зависимости от особенностей применения.
І Іопторяемость (воспрон іводнмость) — хз рактернстика, показывающая различие между значением показания в данный момент времени и значением, полученным при последней измерении для движения в том *г направлении. В зависимост и от применсиві важно проводить различие между долтоврс-меннои и кратковременной понторясмост Подобно точности, она выражается в угле: единицах. Повторяемость поворотного иг ратора стандартного исполнения обычно 5- Ю раз лучше, чем приводимая в техничг ких характеристиках производителя велич на общей точности (ногрешносги).
В определенных применениях повтор мость является более важным параметр'- чем точность. При сопровождении елмол папример, критичной должна быть точне, но если робот выполняет простые период скне операции, повторяемость может б более лажной, чем точность.
Статья не претендует на полноеосвеще даиноз темы, а лишь готовит почву дли и чешю о обзора изделии фирмы Pcpperl+E (Германия), затратная іютіроста их класс капни, физических ирнниииов функцій роваиия, а также терминологии.
Лите
1. В. И. Азаров. А. Ф. Каиерко. Датчики п образователи информации систем и тм ним. контроля и управления. Прибор системы управления,, V"5,1998.
2. К. Гфнидли. Измерительные преобра- гели: Справочное пособие: Пер. с лига. М.: Энергоатомнздат, 1991.
3. X. Карт. Введение в измерительную тех kv: 11ер. с нем. — М.: Мир, 1999.
4. Scon Orlosky. Specifications Гог Enc Selection & amp- Installation // Measurement* Control. — September 2(HM. — Issue 201. Pp. 139−143.
5. Andrei Kourilovitch, Patrick Bloechle. Interference-Based Incremental 0| Encoder // Sensors. — November 2000. Vol. 17. — Nf II.
6. Gerald S. Gordon. Square Waves and Pu Clarification// Measurements & amp- ControL 199#. — September.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой