Магнитные датчики угла поворота EcoTurn
Общие свойства датчиков на эффекте Холла
В основе датчика угла поворота на эффекте Холла — сенсорный массив элементов Холла, интегрированный вместе с электронными схемами в одной интегральной схеме. При взаимодействии с вращающимся магнитом датчик производит измерение его углового положения. По точности и разрешению магнитные датчики уступают, например, фотоэлектрическим, однако просты в реализации, менее требовательны к условиям эксплуатации и размерам конструкции. В связи с этим в настоящее время бесконтактные магнитные датчики угла поворота на эффекте Холла все больше заменяют оптические датчики и прецизионные потенциометры.
Магнитные датчики угла поворота серии EcoTurn компании MEGATRON
Одной из новейших разработок специалистов из группы компаний MEGATRON стала экономичная серия датчиков EcoTurn — бесконтактные программируемые абсолютные и инкрементальные магнитные датчики угла поворота. Современные интегральные схемы с датчиками Холла в сочетании с особыми магнитами и RISC-процессорами обеспечивают программируемую настройку выходных сигналов и интерфейса. Примененная в датчиках бесконтактная технология определения вращения магнитного поля предлагается в качестве достойной альтернативы потенциометрам на проводящем пластике: она более устойчива к воздействию вибрации и других неблагоприятных факторов.
Конструкция энкодеров EcoTurn
Энкодеры EcoTurn выпускаются в экономичном пластиковом корпусе диаметром 22 и 28 мм (рис. 1). Любая версия может быть изготовлена в трех типах корпуса: с втулкой, крепежным фланцем (рис. 2) или в сборной версии KIT (рис. 3, 4) (закрепление магнита на вращающихся деталях заказчика).
Серия EcoTurn разделена на три группы:
- ENA — абсолютные с аналоговым выходом (в качестве замены прецизионным потенциометрам);
- ENI — с инкрементным выходом (в качестве замены оптоэлектронным датчикам);
- ENS — абсолютные с SPI и SSI.
ENA. Абсолютные энкодеры EcoTurn с аналоговым выходом
На выходе датчика переменное напряжение или переменный ток подается пропорционально положению вала/оси на полный диапазон угла 360° или поддиапазон. Электроника бесконтактных датчиков гарантирует устойчивый уровень сигнала и низкое значение отклонения от линейности (0,5%).
Дополнительные программируемые функции для аналоговых энкодеров EcoTurn (табл. 1):
- Эффективный электрический угол (EA1) (рис. 5):
- Электрический ноль без привязки.
- Программируемый диапазон измерений от 20° до 360°.
- Механический угол превышает электрический угол или равен ему.
- В версии с упором нулевая точка находится против часовой стрелки.
- По запросу нулевая точка по часовой стрелке.
- Программирование нулевой точки (EA2) (рис. 6):
- Выставленная механическая нулевая точка (отмечена на корпусе датчика).
- Электрический ноль может быть выровнен с механической нулевой точкой.
- Может быть запрограммировано любое смещение нулевой точки.
- Установка центра (EA3) (рис. 7):
- Эффективный электрический угол выровнен с механической нулевой точкой.
- Одинаковый эффективный электрический угол в обоих направлениях вращения.
- Центральная точка может быть запрограммирована при любом смещении.
- Многоточечное программирование (EA4) (рис. 8):
- От 3 до 6 восходящих или горизонтальных линейных секторов.
- Минимальный и максимальный уровень сигнала может быть определен в пределах общего электрического угла.
- Первый и последний линейные секторы всегда горизонтальные.
- От 1 до 3 устанавливаемых точек калибровки.
Пример. Исходная точка: 20°/2 В; точка A: 120°/2,5 В; точка B: 200°/3,5 В; точка C: 250°/5,5 В. Конечная точка: 340°/8 В.
- Функция переключения (EA5) (рис. 9):
- Функция переключения, назначенная к любому угловому положению.
- Два потенциально свободных релейных выхода (открыто/закрыто 60 В/0,5 А 300 мВт), только для серии ENA28.
- Направление вращения (EA6) (рис. 10):
- Стандартное направление вращения по часовой стрелке.
- Изменение направления вращения на направление против часовой стрелки.
Таблица 1. Характеристики аналоговых датчиков EcoTurn
Электрические параметры | |
Электрический угол поворота |
Стандартный 360° Программируемый 0–20°… 0–360° ±1° |
Разрешение | 4096/оборот (12 бит) |
Частота обновления | 1 мс |
Напряжение питания / выходной сигнал |
15–30 В / 0–10 В 9–30 В / 0–5 В 5 В ±10% / 0–5 В 5 В ±10% / ШИМ 9–30 В / 4–20 мА 9–30 В / 0–20 мА |
Механические параметры | |
Механический угол поворота |
360°, 320°+5°/–0° (с упором) Дополнительно, с упором: 90°,180°, 270° |
Максимальная скорость вращения |
800 об./мин. (латунный подшипник) 4000 об./мин. (полимерный подшипник) |
Срок службы |
>10 млн оборотов (латунный подшипник) >25 млн оборотов (полимерный подшипник) |
Другие | |
Степень защиты | IP65 (с дополнительным уплотнением вала) |
Рабочий диапазон температур | –40…+85 °С |
ENS. Абсолютные энкодеры EcoTurn с интерфейсом SSI, SPI
Интерфейс SSI
С помощью интерфейса SSI (рис. 11, табл. 2) абсолютное угловое положение вала передается синхронно на принимающее электронное устройство, имеющее ввод SSI (индикатор ПЛК и т. д.). Основные преимущества интерфейса SSI: передача сигнала на большие расстояния, мало линий передачи данных. Фактическое угловое положение выдается в 2-битном коде Грея, с разрешением 12 бит на 360°. Принимающая электроника обеспечивает импульсные последовательности и тем самым определяет скорость передачи данных. С первым сигналом последовательности импульсов угловое положение определяется и сохраняется. Последующий повышающийся пилообразный сигнал управляет побитной передачей данных. После небольшой паузы может передаваться новое значение углового положения.
Таблица 2. Характеристики датчиков EcoTurn с интерфейсами SSI, SPI
Электрические параметры | |
Электрический угол поворота | 360° |
Разрешение / 360° |
14 бит для SPI 12 бит для SSI |
Частота |
SPI: 5 кГц SSI: 10 кГц |
Напряжение питания |
5 В ±10% 9–30 В |
Механические параметры | |
Механический угол поворота |
360°, 320°+5°/–0° (с упором) Дополнительно: 90°,180°, 270° |
Максимальная скорость вращения |
400 об./мин. (латунный подшипник) 4000 об./мин. (полимерный подшипник) |
Срок службы |
>10 млн оборотов (латунный подшипник) >25 млн оборотов (полимерный подшипник) |
Другие | |
Степень защиты | IP65 (с дополнительным уплотнением вала) |
Рабочий диапазон температур | –40…+85 °С |
Интерфейс SPI
Последовательный периферийный интерфейс (SPI) является системой шин для последовательной синхронной передачи данных между различными интегральными схемами. Шина состоит из трех линий, MOSI–MISO (Master Out — выход из активного устройства, Slave In — вход в зависимое устройство; Master In — вход в активное устройство, Slave Out — выход из зависимого устройства), SCLK (Serial Clock — последовательная синхронизация, выход из активного устройства) и SS (Slave Select — выбор зависимого устройства). Информация об угловом положении рассчитывается за 350 мкс и доступна для активного устройства по требованию. Для шины SPI нет фиксированного протокола. Тем не менее многие микроконтроллеры интегральных схем имеют вход SPI. Запрограммировав микроконтроллер интегральной схемы, можно управлять несколькими SPI-совместимыми датчиками с помощью одного микроконтроллера.
Дополнительно для датчиков EcoTurn с SPI (рис. 12, табл. 2) возможно исполнение с двумя отдельными разделенными гальваническими схемами в одном корпусе. Обе схемы обладают полным функциональным объемом в отдельном исполнении и кроме всех описанных опций могут иметь наряду с выходом SPI запрограммированные функции аналогового сигнала.
ENI. Инкрементальные энкодеры EcoTurn
А и В — квадратурные сигналы, сдвинутые на 90°, а сигнал Z — контрольная метка. Один оборот генерирует N импульсов сигналов А и B. Сигнал контрольной метки производится один раз за оборот. Ширина импульса Z — 1/4 квадратурных сигнала, совпадает с пиком А и B. Устройства серии ENI (табл. 3) могут заменить оптические инкрементальные датчики.
Таблица 3. Характеристики инкрементальных датчиков EcoTurn
Электрические параметры | |
Количество импульсов | 1–128, 256, 512, 1024 импульса/оборот |
Каналы | A, B, Z |
Выходной сигнал | Open Collector, TTL |
Частота максимальная | 500 кГц |
Напряжение питания |
4,5–5,5 В 9–30 В |
Механические параметры | |
Механический угол поворота |
360°, 320°+5°/–0° (с упором) Дополнительно: 90°,180°, 270° |
Максимальная скорость вращения |
800 об./мин. (латунный подшипник) 4000 об./мин. (полимерный подшипник) |
Срок службы |
>10 млн оборотов (латунный подшипник) >25 млн оборотов (полимерный подшипник) |
Другие | |
Степень защиты | IP65 (с дополнительным уплотнением вала) |
Рабочий диапазон температур | –40…+85 °С |
Дополнительные опции для инкрементальных энкодеров EcoTurn:
- В пределах от 1 до 128 может быть запрограммировано любое количество импульсов.
- Выходной сигнал PushPull для ENI28.
- В отличие от оптических инкрементальных датчиков, устройства серии ENI в состоянии обеспечить информацию об абсолютном положении оси датчика после включения питания посредством показателей степени квадратурных сигналов.
Условные обозначения параметров для заказа приведены в таблице 4.
Таблица 4. Условные обозначения для заказа
Без упора 360° | OCW360 |
С упором (для корпуса с втулкой) 90°, 180°, 270° |
SCW90, SCW180, SCW270 |
Нулевая отметка на корпусе | N |
Крутящий момент для оси: легкий, средний, тяжелый |
LT, MT, HT |
Уплотнитель оси (IP65) | D |
Длина оси (до 50 мм) | A.. |
Длина кабеля | CV… |
Полимерный подшипник | P |
Питание/выход | |
5 В/0–5 В | 0505 |
9–30/0–5 В | DC05 |
15–30 В/0–10 В | 2410 |
9–30 В/4–20 мА | 2442 |
9–30 В/0–20 мА | 2402 |
5 В/ШИМ | 0505PWM |
5 В/SPI | 05SPI |
5 В/SSI | 05SSI |
9–30 В/SSI | 24SSI |
5 В/TTL | 05TTL |
5 В/Open Collector | 05OC |
9–30 В/Open Collector | 24OC |
Примеры обозначения
ENA22 B 1 DC05 SCW90 HT D A30 CV1,2
Датчик EcoTurn с аналоговым выходом, корпус 22 мм, питание 9–30 В, выходной сигнал 0–5 В, с упором, угол 90°, по часовой стрелке, с крутящим моментом оси HT, с уплотнительным кольцом, длиной оси 30 мм, длиной кабеля 1,2 м.
ENI22B 1 512 05 BZ TTL N P LT A30 CV0,1
Датчик EcoTurn инкрементальный, корпус 22 мм, 512 импульсов на оборот, питание 5 В, выход TTL, нулевая отметка, полимерный подшипник, с крутящим моментом LT, длиной оси 30 мм, длиной кабеля 0,1 м.
Кроме стандартных, доступны специальные опции, которые представлены в таблице 5.
Таблица 5. Специальные опции для заказа
Без антиротационного штифта (для корпуса с втулкой) | MS1 |
С упором, другие углы | MS2 |
Специальная форма оси | MS3 |
Специальная форма корпуса и способ монтажа | MS4 |
Корпус из µ-металла для магнитной защиты | MS5 |
Специальный кабель или разъем | MS6 |
Специальная втулка, форма, размер | MS7 |
Особенности энкодеров серии EcoTurn
Перечислим главные особенности:
- Три варианта исполнения: ENI — инкрементальные до 1024 импульсов на оборот, ENA — абсолютные аналоговые, ENS — абсолютные цифровые, SSI, SPI.
- Программируемый диапазон измерений: 0°–20°… 0°–360° (аналоговый выход).
- Множество дополнительных программируемых функций и механических опций позволяют создавать особые решения для заказчика.
- Дополнительно: двухканальный выход для аналоговых и SPI.
- Диаметр корпуса — 22 или 28 мм. Это экономит пространство и позволяет монтировать датчик в условиях нехватки места.
- Три варианта монтажа (корпус с втулкой, с фланцем, KIT) для удобства установки.
- На экранированные версии не влияют сильные окружающие магнитные поля.
- Особые формы вала по запросу.
- Особая длина вала по запросу (max 50 мм).
- Три степени крутящего момента для вала (корпус с втулкой).
- Степень защиты IP65 (уплотнительное кольцо).
- Срок службы — до 25 млн оборотов вала (полимерный подшипник).
- Невысокая стоимость, цена сопоставима с ценой на потенциометр.
Заключение
Группа компаний MEGATRON более 50 лет специализируется на производстве датчиков угла поворота и имеет широкий ассортимент датчиков со стандартными и специальными характеристиками. Магнитные энкодеры EcoTurn отличаются от аналогичной продукции широким спектром механических и электрических характеристик, невысоким уровнем цен, которые сопоставимы с ценами на экономичный прецизионный потенциометр.
Магнитные датчики угла поворота (энкодеры) EcoTurn могут заменить потенциометры, а также оптоэлектронные инкрементные и абсолютные датчики. Благодаря большому разнообразию механических и электрических характеристик, их можно использовать практически в любой автоматизированной и управляющей системе, в которой требуется определение угла поворота или скорости вращения.