Резольверы хороши. Энкодеры тоже хороши. Но что из них лучше? Ответ зависит от того, для чего их предстоит использовать. В этой статье описаны принципы работы этих приборов и рассмотрены их преимущества и недостатки, а также перечислены некоторые альтернативы.
Что такое резольвер?
Резольвер — это электрический трансформатор, используемый для измерения угла поворота. Большинство резольверов похожи на электрические двигатели: у них медная обмотка на статоре и приточенный металлический ротор. Индуктивная связь между обмотками трансформатора изменяется в зависимости от угла. Таким образом, если отправить на резольвер сигнал переменного тока и измерить выходной сигнал на обмотках трансформатора, в результате будет получен сигнал переменного тока, амплитуда которого пропорциональна углу.
Резольвер — это электрический трансформатор, используемый для измерения угла поворота. Большинство резольверов похожи на электрические двигатели: у них медная обмотка на статоре и приточенный металлический ротор. Индуктивная связь между обмотками трансформатора изменяется в зависимости от угла. Таким образом, если отправить на резольвер сигнал переменного тока и измерить выходной сигнал на обмотках трансформатора, в результате будет получен сигнал переменного тока, амплитуда которого пропорциональна углу.
Хотя существует множество типов резольверов, обычно они имеют три обмотки — одну первичную и две вторичных. Эти обмотки выполнены из медной проволоки и обычно находятся на неподвижном элементе резольвера — статоре. Первичная обмотка используется для приема сигнала переменного тока, а вторичные обмотка — в качестве измерительной или принимающей обмотки. На приведенной ниже схеме ротор выполнен из железа или стали и сконструирован таким образом, чтобы передавать энергию разной величины на вторичные обмотки в зависимости от своего угла поворота. На приведенной ниже схеме выходной сигнал со вторичных обмоток будет представлен в виде синусоиды и косинусоиды. Соответственно, отношение сигналов изменяется пропорционально углу.
Резольвер — это электрический трансформатор, используемый для измерения угла поворота
Резольверы отличаются своей надежностью и поэтому часто используются там, где требуется высокая надежность и безопасность оборудования.
К сожалению, во многих спецификациях резольверов ошибочно указывается бесконечная разрешающая способность. Хотя теоретически это верно, на практике — нет, т. к. большинство современных систем управления будут переведены на цифровой сигнал с конечным разрешением. Фактическое разрешение будет зависеть от качества аналого-цифрового преобразования.
В связи с этим возникает небольшая, но важная проблема — для разработки системы на основе резольвера требуется немало специальных навыков. Это обусловлено необходимостью создания отдельной схемы возбуждения и обработки сигнала. Резольверы также имеют репутацию тяжелого, громоздкого и дорогого оборудования. Их использование экономически нецелесообразно во многих основных сферах промышленности, поэтому они преимущественно используются только в тех секторах, где капитальные затраты являются вторичными по отношению к техническим характеристикам и производительности, например в аэрокосмической и оборонной промышленности.
Что такое оптический датчик положения?
Вращающийся датчик положения, также называемый датчиком положения вала, представляет собой устройство, преобразующее угловое положение или движение в аналоговый или цифровой код. Существует два типа таких датчиков: абсолютные и инкрементальные (относительные). Выходные данные абсолютных энкодеров позволяют определить текущее положение вала, благодаря чему их можно использовать в качестве датчиков угла поворота. Выходные данные инкрементальных энкодеров содержат информацию о движении вала, которая, как правило, отдельно преобразовывается в данные о скорости, расстоянии, частоте вращения и положении. В энкодерах могут использоваться различные методы измерения, но наиболее распространенным из них является оптический. В оптических энкодерах источник излучает свет сквозь или на вращающийся диск, маркировка на котором блокирует или пропускает луч света. Оптический датчик определяет прохождение света и генерирует соответствующий электрический импульс. Для измерения угла или перемещения можно использовать оптическую шкалу с нанесенной на ней разметкой. Шаг шкалы может быть очень мелким — вплоть до нескольких микрон.
В оптических энкодерах используются оптический датчик и оптический диск для измерения угла
Тридцать лет назад в большинстве случаев использовались резольверы, а не оптические энкодеры, но в настоящее время ситуация изменилась. Основным фактором, обусловившим такое изменение, стало появление множества различных энкодеров от самых разных производителей. В отличие от резольверов, оптические энкодеры не требуют установки дополнительной электроники. Их выходной сигнал сразу же можно использовать в главной системе управления. Кроме того, их легче выбирать и внедрять. Главный недостаток таких датчиков заключается в том, что они не рассчитаны на неблагоприятные условия эксплуатации, например вибрации, удары, наличие посторонних предметов или экстремальных температур. Выявить предстоящий сбой заранее практически невозможно.
Что такое индуктивный датчик положения?
В последние годы приобрело популярность новое поколение устройств — индуктивные датчики положения. Индуктивные энкодеры можно рассматривать как гибрид резольверов и оптических энкодеров. В индуктивных энкодерах (или инкодерах) используются те же физические принципы, что и в резольверах, но они отличаются меньшей ценой и весом, а также большей компактностью и точностью. Важно отметить и простоту их использования, т. к. для работы инкодеров необходим только источник постоянного тока, а их выходной цифровой сигнал содержит информацию об абсолютном угле, как и у абсолютных оптический энкодеров. Проблема наличия специальных навыков также неактуальна, потому что для энкодеров не требуется отдельная схема обработки сигнала — вся необходимая электроника уже встроена в статор энкодера. Это означает, что инкодеры обладают всеми преимуществами резольверов, но лишены всех их недостатков.
Поскольку в инкодерах не используются хрупкие оптические компоненты, они не чувствительны к наличию посторонних веществ и могут работать в широком диапазоне температур. В некоторых случаях специализированные приборы использовались при температурах от –170 до +230 °C.
Примеры индуктивных энкодеров
В отличие от традиционной медной обмотки резольверов, в инкодерах используются печатные платы. В них, как и в резольверах, есть статор и ротор, а поскольку точное позиционирование статора и ротора не требуется, то в приборе не используются подшипники.
Поскольку инкодеры работают на печатных платах, а не обмотках, их показания отличаются очень высокой точностью. Обычно погрешность меньше 1 угловой минуты, а разрешающая способность и воспроизводимость меньше 1 угловой секунды. Простота конструкции инкодеров позволяет легко настраивать их в соответствии с требованиями конкретных задач.
Инкодеры доступны в широком диапазоне размеров (диаметр — до 600 мм) и широко используются в различных станках, карданных системах, а также в оборудовании аэрокосмического, оборонного и медицинского назначения.
