Przetworniki położenia

Do czujników wykorzystywanych do śledzenia położenia elementów systemów automatyki i części maszyn zalicza się enkodery obrotowe, czujniki liniowe i inklinometry. Ze względu na zasadę działania znajdziemy tu zarówno enkodery optyczne, magnetyczne, jak i pojemnościowe oraz przetworniki indukcyjne nazywane też resolwerami. Najbardziej popularną grupą czujników pozycjonujących są. oczywiście enkodery absolutne i inkrementalne.

Jak wspomniano, enkoder to urządzenie przetwarzające przesunięcie i/lub pozycję kątową mierzonego przedmiotu lub części maszyny na sygnał elektryczny bądź cyfrowy. Enkodery stosuje się przede wszystkim we wszelkiego rodzaju maszynach i liniach produkcyjnych, gdzie odpowiadają za precyzyjne pomiary prędkości, odległości, przesunięcia, bądź też przebytej drogi przez obrabiany przedmiot, część maszyny bądź element wykonawczy. Dzięki enkoderom, z bardzo dużą dokładnością – sięgającą często setnych lub tysięcznych części milimetra – wiadomo, o ile obrócił się lub przesunął dany element lub też jaką drogę pokonał.

Resolwer, czyli trochę historii

Resolwery, określane też mianem transformatorów położenia kątowego, używane są w przemyśle od lat 40. XX wieku. Przetwornik ten służy do pomiaru kąta obrotu i swoją budową przypomina silnik elektryczny. W stojanie znajdują się dwa jednakowe uzwojenia wtórne ustawione względem siebie pod kątem prostym, a w wirniku jest jedno uzwojenie pierwotne, z którego odczytywany jest sygnał. Do wirnika doprowadzane jest przemienne napięcie odniesienia Uod o stałej częstotliwości. Uzwojenia wtórne stojana Us i Uc dostarczają napięć różniących się fazą o 90°, odpowiednio Us = Uod sin  i Uc = Uod cos , gdzie  jest kątem, o jaki obrócił się wirnik resolwera.

Ponieważ każdemu kątowi, o jaki obrócił się wał, przypisana jest jednoznaczna para wartości sinusa i kosinusa kąta , a co za tym idzie para wartości napięć, to na podstawie pomiarów napięcia Us i Uc na uzwojeniach stojana, w prosty sposób można już wyznaczyć pozycję kątową o jaką przesunął się wał wirnika. Co więcej, resolwer w przypadku obrotu o 360° lub jego wielokrotności dostarcza zawsze informacji o bezwzględnej pozycji wirnika, co jest jedną z zasadniczych zalet tego typu przetworników w porównaniu np. do enkoderów inkrementalnych.

Oczywiście, w przypadku resolwerów na wyjściu mamy do czynienia z sygnałem analogowy. W dzisiejszych systemach sterowania sygnał ten wymaga więc transformacji do postaci cyfrowej, za co odpowiada moduł przetwornika R/D (resolver to digital), który jest po prostu specjalizowanym układem scalonym. Od jego dokładności, częstotliwości próbkowania (zwykle 20 kHz) oraz tzw. rozdzielczości binarnej zależy rozdzielczość, czyli dokładność pomiaru położenia kątowego, która wyrażana jest najczęściej w impulsach przypadających na jeden obrót, dla całego układu omawianego przetwornika położenia. Warto zauważyć, że dostępne w sprzedaży układy scalone przetworników R/D, np. Analog Device z serii AD2S12xx charakteryzują się rozdzielczością bitową od 10 do 16 bitów, rzadziej do 24 lub 32 bitów, która jest wystarczająca do większości zastosowań przemysłowych.

W przetwornikach R/D powszechnie wykorzystuje się tzw. metodę śledzenia kąta bazującą na trygonometrycznej zależności: sin( ‒ )=sin  × cos  ‒ cos  
× sin , gdzie , podobnie jak poprzednio, to kąt wyjściowy nachylenia (obrotu) wału, zaś  jest wartością przesunięcia kątowego, która wynika z podanego napięcia odniesienia Uod. Jeżeli różnica między kątami  ‒  jest odpowiednio mała, można przyjąć, że sin( ‒ ) = 
 ‒  [1].

Układ R/D śledzi wartość kąta  porównując go ze wstępnie założoną wartością kąta . Oba sygnały wyjściowe resolwera, które są proporcjonalne do sinusa i kosinusa kąta , są mnożone przez odpowiednie wartości funkcji kąta . Następnie obliczana jest różnica sygnałów. Wynikiem demodulacji sygnału jest sygnał proporcjonalny do różnicy  ‒ . W zależności od tej wartości, kąt , którego wartość jest przechowywana w rejestrach układu scalonego, jest zwiększany lub zmniejszany, aż do chwili, gdy różnica  ‒  zostanie wyzerowana – oczywiście przy założonej częstotliwości próbkowania przetwornika R/D – i w ten sposób uzyskuje się zdigitalizowaną wartość kąta obrotu wałka resolwera [1].

Pomiary inkrementalne i absolutne

Kolejną grupą przetworników położenia są enkodery. Podobnie jak resolwer, enkoder to urządzenie przetwarzające pozycję kątową i przesunięcie mierzonego elementu na sygnał elektryczny. Enkodery można bez problemu stosować do precyzyjnego pomiaru prędkości, odległości, przesunięcia czy przebytej drogi. Pozwalają z bardzo dużą dokładnością wyznaczyć, o ile obrócił się dany element lub jaką drogę pokonał.

Enkodery ze względu na sposób pomiaru dzieli się na enkodery inkrementalne czyli przyrostowe i enkodery absolutne. Enkodery inkrementalne mogą określić prędkość kątową oraz kierunki ruchu. Mogą także wyznaczyć względną pozycję, czyli różnicę między dwoma wartościami kąta obrotu – początkową i końcową. Enkoder inkrementalny generuje na wyjściu sygnał impulsowy, a każdemu przesunięciu kątowemu przyporządkowana jest konkretna liczba impulsów wyjściowych. Co ważne, enkoder inkrementalny generuje podczas pracy dwa sygnały, z czego jeden z nich jest przesunięty względem drugiego w fazie o 90°. Pozwala to na jednoznaczne określenie kierunku obrotu lub przesunięcia mierzonego elementu.

Istotnym parametrem enkodera jest jego rozdzielczość. Wartość tę podaje się na ogół w formie liczby impulsów przypadających na pełen obrót enkodera, na podstawie której wyliczyć można dokładność kątową pomiaru, a w przypadku zastosowania przekładni, dokładność liniową. Im większa jest ta wartość, tym dokładniej można określić pozycję obracanego lub przesuwanego elementu.

Co ważne, enkoder inkrementalny nie pamięta aktualnego położenia mierzonego obiektu. Generuje on  jedynie impulsy, które na wyjściu zlicza licznik, który informuje o wykonanym przez podłączony do enkodera układ wykonawczy przesunięciu względnym Oczywiście liczonym względem pierwotnego położenia. Szybkość generowanych przez enkoder impulsów świadczy o szybkości przemieszczania się mierzonego elementu.

Dodajemy obrót

W tym miejscu warto wspomnieć, że w niektórych modelach enkoderów inkrementalnych dostępny jest trzeci kanał pomiarowy – tzw. kanał „Z”. Po każdym obrocie wału, a więc po przepełnieniu stosu licznika wynikającego z rozdzielczości enkodera, na kanale „Z” pojawia się logiczna „1”. Pozwala to na zachowanie punktu referencyjnego w tym samym miejscu (w enkoderach optycznych, często punkt referencyjny jest ustawiany również za pomocą dodatkowego fotoelementu) lub na zliczanie liczby pełnych obrotów. Niemniej, w chwili odłączenia zasilania, wszystkie informacje z enkodera są tracone. Co więcej, w chwili ponownego włączenia zasilania nie jest znane bezwzględne położenie, do momentu, gdy enkoder ponownie „przejdzie” przez pozycję odniesienia.

Enkoder absolutny, to enkoder generujący na wyjściu sygnał kodowy, gdzie każdemu kątowi obrotu odpowiada konkretna wartość kodowa na wyjściu enkodera. W starszej generacji enkoderów stosowano tarcze lub liniały kodowe, które w nowoczesnych systemach coraz częściej zastępowane są elektroniką sterującą zbierającą dane w nieulotnej pamięci flash. Enkoder absolutny pozwala w sposób ścisły, z dokładnością do setnych części milimetra, określić aktualną pozycję elementy wykonawczego, nawet po wyłączeniu zasilania.

Enkodery absolutne dzieli się na jednoobrotowe i wieloobrotowe. Jednoobrotowe rozróżniają pozycje tylko w ramach jednego obrotu, enkodery wieloobrotowe generują sygnał wyjściowy informujący zarówno o pozycji kątowej jak również i o liczbie wykonanych obrotów.

Enkodery magnetyczne

Ze względu na zasadę działania enkodery podzielić można na enkodery magnetyczne i optyczne. Enkodery magnetyczne mierzą pozycję kątową przy wykorzystaniu technologii czujników pola magnetycznego. Jeden lub klika magnesów trwałych przymocowanych jest do wału enkodera i wytwarza pole magnetyczne, które jest wykrywane przez czujnik. W efekcie czujnik ten rozpoznaje pozycję kątową, jaką przyjął wał enkodera.

W enkoderach magnetycznych stosowane są zasadniczo dwa rodzaje czujników pola magnetycznego – czujniki magnetorezystywne oraz czujniki Halla. Te pierwsze cechują się nieliniową charakterystyką z histerezą i, co gorsza, są wrażliwe na wpływ zewnętrznego pola magnetycznego. Dlatego nie nadają się do wyznaczania bezwzględnej pozycji wału enkodera w ramach jednego obrotu. Z tego też powodu wykorzystywane są jedynie w enkoderach wieloobrotowych, gdzie zapewniają bardzo wysoką dokladność pomiaru.

Z kolei czujniki Halla to czujniki o stricte liniowej charakterystyce, co sprawia, że są one w stanie dokładnie określić bezwzględną pozycję wału. Co więcej pomiar różnicowy z kilku czujników Halla pozwala niemal całkowicie wyeliminować wpływ zewnętrznego pola magnetycznego na uzyskiwane wyniki pomiarowe. To dlatego w większości absolutnych enkoderów magnetycznych znajdziemy niemal wyłącznie czujniki Halla mimo, że nie zapewniają tak dużej precyzji pomiarów jak sensory magnetorezystancyjne.

Wspomnieć tu należy o enkoderach liniowych, nazywanych też liniałami. Pozwalają one mierzyć przemieszczenie bez konieczności stosowania przekładni, jak ma to miejsce w przypadku enkoderów obrotowych. Przykładem inkrementalnego liniału magnetycznego jest seria SMP firmy Lika. Są to liniały z bocznym wykrywaniem taśmy magnetycznej, a ich dokładność wynosi 0,0125 mm. Maksymalna prędkość posuwu to 16 m/s. Urządzenia cechują się stopniem ochrony IP67 i maksymalną temperaturą pracy +85 °C.

Magnesy i czujniki

Ciekawym rozwiązaniem technologicznym enkodera magnetycznego jest system OnAxis firmy Renishaw. Moduł enkodera składa się tu z 12-bitowego układu scalonego typu ASIC oznaczonego symbolem AM256, w którym umieszczono matrycę czujników Halla oraz magnesu umieszczonego na wale enkodera, obracającego się nad tym układem. Pod wpływem zmian strumienia pola magnetycznego układ czujników jest w stanie określić bardzo dokładną, bezwzględną pozycję kątową wału enkodera. Co ważne, układ AM256 stosowany jest również w liniowych przetwornikach położenia tej firmy, zarówno absolutnych, jak i inkrementalnych.

Aby zwiększyć dokładność pomiaru, czujniki Halla układa się równomiernie na okręgu. Minimalnie, matryca powinna składać się z czterech czujników, a średnica okręgu matrycy czujników nie powinna być większa niż średnica magnesu użytego w enkoderze.

W enkoderach wykorzystuje się bardzo silne magnesy stałe samaro-kobaltowe (SmCo) lub neodymowe (NdFeB). Stosowanie silnych magnesów związane jest z tym, że użyteczne zmiany pola magnetycznego muszą być wyższe niż zmiany pochodzące od pola magnetycznego występującego w otoczeniu enkodera, np. z silników elektrycznych. Ponieważ magnesy neodymowe zawierają żelazo, nie powinny być również stosowane w aplikacjach w środowisku silnie korozyjnym, a ponadto ich maksymalna temperatura pracy nie powinna przekraczać 150 °C, gdyż w wyższej temperaturze materiał ulegnie rozmagnesowaniu. W wypadku magnesów samaro-kobaltowych zabezpieczenia antykorozyjne nie są wymagane, a ich temperatura pracy może dochodzić do 300 °C. 

Główną zaletą enkoderów magnetycznych jest ich duża odporność na zanieczyszczenia. Dopóki wewnątrz urządzenia nie znajdą się elementy ferromagnetyczne, to jakiekolwiek inne zanieczyszczenia nie wpływają na dokładność pomiarów. Dzięki temu enkodery tego typu są wytrzymałe na kurz i pyły, czy wilgoć, która może dostać się do obudowy. Ponadto mogą one pracować w szerokim zakresie temperatur dochodzącym nawet od –40 °C do +100 °C. Są też odporne na wibracje, uderzenia i wstrząsy. Dzięki temu enkodery magnetyczne charakteryzują się sporymi dopuszczalnymi obciążeniami wału.

Enkodery optyczne

Podstawową wadą enkoderów magnetycznych jest ich stosunkowo niska rozdzielczość i podatność na zakłócenia magnetyczne, o co w warunkach przemysłowych bardzo łatwo. W najlepszych rozwiązaniach dokładność pomiaru położenia dochodzi do 3 minut kątowych. W wypadku drugiej grupy enkoderów, enkoderów optycznych, dokładność na poziomie 0,5 minuty kątowej nie jest niczym niezwykły, dlatego enkodery te wykorzystywane są znacznie częściej w systemach automatyki przemysłowej i sterowaniu maszyn.

Kluczowym elementem enkoderów optycznych jest przymocowany do wału dysk wyposażony w szereg otworów bądź kresek (enkodery inkrementalne) lub specjalna tarcza kodowa, którą spotyka się w przypadku enkoderów absolutnych. W enkoderze inkrementalnym źródło światła umieszcza się tak, aby światło przechodziło przez otwory w dysku lub odbijało się od specjalnie przygotowanych (odbijających światło) kresek podziałki. Po drugiej stronie dysku lub w miejscu padania odbitego światła znajduje się czujnik światła, który wysyła impulsy do układu zliczającego. Detektor wysyła impuls za każdym razem, kiedy światło przejdzie przez otwory w tarczy lub odbije się od kreski. Układ zliczający oblicza zmianę położenia tarczy na podstawie liczby otrzymanych impulsów.

W przypadku tarczy kodowej wykonanej z przeźroczystego materiału, na jej powierzchni umieszcza się specjalny wzór (kod) składający się z przeźroczystych i nieprzeźroczystych pól. Światło przechodząc przez tę tarczę, pada na układ elementów światłoczułych. W momencie obracania się osi czujnika światło przechodzi przez tarczę odwzorowuje odpowiedni wzór na matrycy elementów światłoczułych i w ten sposób dekoder sygnału „wie”, w jakiej pozycji ustawiona jest tarcza kodowa. W modelach enkoderów wieloobrotowych znajduje się dodatkowy zestaw tarcz kodowych, połączonych z kołami zębatymi przekładni mechanicznej. Koła te obracają się razem z osią czujnika. Pozycja kół zębatych jest wykrywana przez inny układ optyczny, co pozwala określić liczbę obrotów osi enkodera. Niestety pomiary optyczne są czułe na zapylenie powietrza. Enkodery te charakteryzują się też niską odpornością na wstrząsy.

Rozpoznawanie obrazu

W systemach współczesnych enkoderów optycznych, zarówno liniowych, jak i obrotowych, coraz częściej spotkać można systemy rozpoznawania obrazu. Sterownik chcąc zebrać informacje o aktualnym absolutnym położeniu, oświetla liniową lub kątową skalę krótkim, silnym błyskiem światła z diod LED tak, aby dobrze ją oświetlić. Skalą tą jest najczęściej liniowy tor lub tarcza z naniesionymi kontrastowymi liniami określającymi jednoznacznie położenie elementu ruchomego, Skala przygotowana jest tak, aby zapewniona była wysoka odporność na błędy położenia.

Obraz skali jest następnie rejestrowany przez kamerę lub przetwornik obrazu. Zastosowanie w układzie optycznym soczewek asferycznych dodatkowo minimalizuje zniekształcenia, zapewniając tym samym wysoką jakość i dużą rozdzielczość rejestrowanego obrazu. Przechwycony przez detektor obraz jest następnie obrabiany w czasie rzeczywistym przez wydajny procesor sygnałowy DSP, który oblicza położenie ruchomego elementu na podstawie kodu naniesionego na skalę. Dzięki możliwości pomiarów redundancyjnych (nadmiarowych) z częstotliwością dochodzącą nawet do 25 tys. pomiarów na sekundę można uzyskać nanometrową dokładność pomiaru położenia przy szybkości ruchu elementu roboczego wynoszącego nawet 100 m/s! Tego typu systemy o nazwach RESOLUTE, EVOLUTE (absolutne), czy VIONiC, QUANTiC, ATOM i TONiC (przyrostowe) produkuje m.in. firma Renishaw.

Rynek enkoderów

Oferta rynkowa przetworników położenia jest ogromna. Wśród obecnych w Polsce producentów tego typu urządzeń wymienić można m.in. takie firmy jak Balluff, Peperl+Fuchs, Omron, Renishaw, SWE-Eurodrive, Turck, Posital FRABA czy WObit, nie mówiąc już o szeregu dystrybutorów oferujących najrozmaitsze tego typu przetworniki.

Co więcej, omówienie cech i funkcjonalności oferowanych enkoderów przekracza zakres tego artykułu, ponieważ dostawcy mają w swoich magazynach nawet po kilkaset typów różnego rodzaju przetworników położenia, nie licząc tutaj modeli dostępnych na zamówienie klienta – np. z mechanicznymi czy elektronicznymi modyfikacjami. Do tego dochodzą urządzenia optyczne i magnetyczne zgodne z wieloma cyfrowymi standardami takimi jak: DeviceNet, CANopen, CANopen Lift, SAE J1939, Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT czy Modbus. Co ciekawe enkodery wieloobrotowe umożliwiają już pomiary przekraczające pół miliona obrotów, a standardem jest, w zależności od pojemności licznika urządzenia, rejestracja nawet 65 536 lub 32 768 obrotów.

W ofercie wielu firm, m.in. Posital FRABA znajdziemy też linkowe czujniki liniowe. Mierzą one przemieszczenie przez precyzyjne rozwijanie lub nawijanie stalowej linki na bęben, którego oś połączona jest z enkoderem. Na wyjściu enkodera pojawia się sygnał proporcjonalny do zmierzonej drogi. Wykonywane w ten sposób pomiary są powtarzalne i dokładne. Tego typu przetwornikami położenia są czujniki z serii LINARIX, wspomnianej FRABY. Pozwalają one mierzyć przemieszczenia w zakresie od 1 m do 10 m. Co ważne, linkowe czujniki liniowe, w porównaniu z konwencjonalnymi systemami pomiarowymi, w których wykorzystuje się przekładnie, koła i enkodery, czujniki linkowe są bardziej trwałe, a dodatkowo wyeliminowano w nich problemy związane z poślizgiem i zużywaniem się elementów przekładni.

Słabe punkty enkoderów optycznych

Najczęstszą przyczyną awarii enkoderów optycznych jest rozszczelnienie się obudowy, przez które do wnętrza przetwornika przedostają się zanieczyszczenia osiadające na elementach układu pomiarowego. Pył znajdujący się na tarczy, soczewkach lub fotodetektorach osłabia przepływ światła między jego źródłem i odbiornikiem, w wyniku czego pomiary mogą zostać zafałszowane.

Newralgicznym elementem enkoderów optycznych jest tarcza z podziałką. Aby pomiary były prawidłowe, ważne jest, aby znajdowała się ona w odpowiedniej odległości od źródła światła i fotodetektora. Jednak w wyniku wstrząsów oraz uderzeń, tarcza może się przesunąć lub ulec uszkodzeniu, na przykład pęknięciu czy porysowaniu. Niestety tarcze mogą się też w ekstremalnie wysokich temperaturach odkształcać, są też narażone na uszkodzenia przy kontakcie z parami substancji reaktywnych chemicznie. Aby temu zapobiec często tarcze wykonuje się z metalu uzyskując w ten sposób odporność na silne wstrząsy, wysokie temperatury oraz substancje chemiczne, ale traci się wówczas na rozdzielczości.

Trendy w konstrukcji przetworników położenia

• cyfrowe interfejsy komunikacyjne, pozwalające na podłączanie enkoderów bezpośrednio, nie tylko do systemu automatyki przemysłowej, ale również sieci komunikacyjnej, w tym do Internetu Rzeczy, które bazują na przemysłowym Ethernecie;
• popularyzacja enkoderów w wykonaniu specjalnym z certyfikatem ATEX do stref zagrożonych wybuchem;
• szeroka oferta urządzeń typu „heavy duty” o zwiększonej wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej, przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach środowiskowych (zwiększona wilgotność, temperatura, zapylenie, wstrząsy);
• enkodery programowalne pozwalające zaprogramować urządzenie do specyficznych wymagań aplikacji;
• systematyczne zwiększanie rozdzielczości, dostępne są enkodery o bardzo wysokich rozdzielczościach liczonych w milionach kroków;
• miniaturyzacja urządzeń.

*Tabele produktów znajdują się w wersji drukowanej czasopisma oraz PDF. 

źródło: Automatyka 4/2019