Nagy pontosságú induktív helyzetérzékelés az onsemi-től
Megjelent: 2023. február 16.
A jelenleg zajló negyedik ipari forradalom (Ipar 4.0) egyik hajtóereje a robotok és a kobotok elterjedése, fokozott automatizálással növelve a hatékonyságot és a biztonságot. A végfeladatok – például a tárgyak összeszerelőszalagról történő felszedése és azon elhelyezése, vagy a kezelőszemélyzet biztonságának garantálása – pontos vezérléséhez minden egyes forgási ponthoz pontos szöghelyzetméréseknek kell rendelkezésre állniuk.
Valójában a robot végfunkcióinak pontosságát az egyes mozgatható ízületekben elért halmozott pontosság határozza meg. Mivel nagy pontosságot tudnak biztosítani, az optikai jeladókat rendszeresen használják ipari alkalmazásokban a forgási pozíció meghatározására. Az optikai jeladók azonban drágák, BOM-juk terjedelmes, és teljesítményüket rontják az ipari környezetben gyakori szennyeződések és a rezgések. Az induktív forgójeladók ezzel szemben immunisak ezekre a tényezőkre és olcsóbbak; azonban hagyományosan nem nyújtanak ugyanolyan szintű teljesítményt, emiatt felhasználásuk elsősorban olyan autóipari alkalmazásokra korlátozódott, amelyek nem igényelnek nagy pontosságot. A cikkben elsőként áttekintjük a forgójeladókra vonatkozó főbb teljesítményspecifikációkat, majd bemutatunk egy innovatív induktív érzékelőt, amely most már az optikai társaihoz hasonló pontossági szintet ér el.
1. ábra Robotkar ipari gyártósoron
A jeladó kiválasztása
A forgójeladó méri a tengely szöghelyzetét, és azt digitális értékké alakítja. Az alkalmazáshoz való jeladó kiválasztásakor a legfontosabb szempontok a felbontás (bitben), a pontosság (ívmásodpercben), az ismételhetőség, a késleltetés, a fordulatszám (RPM) és az érzékelő mérete (átmérő mm-ben). A többféle jeladó-technológiák közötti különböző kompromisszumok megértése segít a jeladó kiválasztásában.
Felbontás: A felbontást az egy teljes fordulat körüli pozíciókódok összes száma határozza meg. Az egy fordulaton belüli véges számú kódot tekintve az egyik pozícióleolvasástól a következő legközelebbi pozícióleolvasásig bekövetkező változás tehát a legkisebb érzékelhető pozícióváltozás. Az abszolút jeladó felbontását általában bitekben fejezik ki. A jeladókkal kapcsolatos gyakori félreértés az, hogy a nagyobb felbontás javítja a rendszer pontosságát. Tisztában kell lenni azzal, hogy a felbontás növelése nem feltétlenül növeli a pontosságot. Lehetséges – és általában elég valószínű –, hogy egy jeladó felbontása jóval nagyobb, mint a pontossága.
Pontosság: A jeladó pontossága a jeladó kimeneti értéke és a mért tengely tényleges pozíciója közötti eltérés mértéke. A jeladó pontosságát általában fokokban, ívpercekben vagy ívmásodpercekben mérik. A szabványos jeladók pontossága körülbelül 2,5 ívperc (egyharmad fok) vagy annál jobb, míg a csúcskategóriás precíziós kódolók pontossága akár 5 ívmásodperc (0,0014 fok) is lehet. Számos ipari robotikai alkalmazásnál 50 ívmásodperc vagy annál jobb pontosságra van szükség.
Ismételhetőség: A megismételhetőség azt fejezi ki, hogy egy rendszer mennyire következetesen képes reprodukálni egy mérést, amikor a tengely más mozgást követően ugyanabba a pozícióba tér vissza. Az azonos fizikai helyzetben mért kimeneti értékek közötti különbséget ismételhetőségi hibaként mérik, és általában ívmásodpercben fejezik ki.
Késleltetés: Egy másik paraméter, amelyet a jeladó kiválasztásakor figyelembe kell venni, a rendszer lépésválasza és késleltetése. Az általában mikromásodpercben kifejezett késleltetés a pozíciómérés megkezdésétől a mért pozícióértéknek a fő vezérlő felé történő továbbításáig eltelt idő. Más szóval, ha a vezérlő „megkérdezi” a jeladótól, hogy mi a pozíció, mennyi időbe telik, amíg a válasz megérkezik.
Sebesség: Tekintettel a jelátalakítótól beérkező jelek érzékelésére és feldolgozására használt elektronika véges sávszélességére, illetve arra, hogy a tengely forgási sebessége szintén korlátozott, ezek együttesen határozzák meg, hogy milyen pontos pozícióméréseket kapunk. Bizonyos tengelysebességgel az érzékelő elektronikája már nem tud lépést tartani.
Méret: A pozícióérzékelő mérete fontos szempont a jeladó kiválasztásakor, mivel a különböző végfelhasználások különböző méretkorlátozásokkal rendelkeznek. Fontos megjegyezni, hogy a pontosság jellemzően az érzékelő átmérőjével skálázódik.
Az átalakító típusa: A leggyakoribb jeladók optikai, induktív vagy mágneses jelátalakítókat használnak a szögelfordulás elektromos jellé alakítására, amely feldolgozható és digitális méréssé alakítható. Az optikai jeladók a legpontosabbak, a mágneses jeladók pedig a legkevésbé pontosak, az induktív jeladók pontossága a másik kettő közé esik, de mindkét irányban jelentős átfedéssel. Minél nagyobb az optikai jeladó pontossága, annál magasabb a költsége. Az ügyfeleknek egyensúlyt kell teremteniük a pontossági követelmények és a rendszer költségei, valamint más tényezők, például a megbízhatóság, a könnyű használat és a karbantarthatóság között, hogy megtalálják az igényeiknek megfelelő optimális megoldást.
Induktív jeladók
Az induktív jeladók a nyomtatott áramköri lapokon induktív tekercsekké alakított fémnyomokat használnak. A többi forgójeladóhoz hasonlóan az induktív jeladó is két fő részből áll: egy állórésznek nevezett fix elemből és egy mozgórész, a rotorból (a céltárgyból). Az állórész egy adótekercsből és két vagy több vevőtekercsből áll. A vevőtekercsek az áramköri lapra vannak nyomtatva, hogy a rotor helyzetéhez képest változó jeleket állítsanak elő. Sok kialakításban az érzékelőjelek feldolgozására szolgáló elektronikus áramkör is az állórészbe van integrálva. A rotor nem tartalmaz aktív áramkört, és vagy ferromágneses anyagból vagy egy vezető anyagból, például rézből készült rétegekkel vagy mintákkal ellátott hordozóból (pl. PCB) készül. Amikor váltakozó áramot vezetnek az állórészen lévő jeladó tekercsre, elektromágneses mező keletkezik. Ahogy a rotor áthalad az érzékelő felett, örvényáramok keletkeznek a céltárgy felületén lévő vezető mintázatban. Ezek az örvényáramok ellentétes mezőt hoznak létre, amely modulálja az érzékelő és a céltárgy közötti fluxussűrűséget, feszültséget hozva létre az állórész vevő tekercsein. Ahogy a céltárgy az állórészhez képest forog, vevőfeszültségek amplitúdói és fázisai változnak – lehetővé téve ezzel a céltárgy helyzetének kiszámítását.
Az induktív jeladóknak számos olyan kulcsfontosságú előnye van, amelyek kívánatossá teszik őket az ipari alkalmazásokban:
- Szinte mindenféle szennyeződésre vagy interferenciára érzéketlenek, beleértve a folyadékokat, a sűrűbb állagú szennyeződéseket és a port, valamint a mágneses tereket, az EMI-t és az erős rezgéseket.
- A mechanikai rezgésekre való alacsony érzékenységüknek köszönhetően az induktív jeladók képesek megkülönböztetni a forgórész és az állórész közötti transzlációt, valamint a forgórész és az állórész közötti rotációt. Például különbséget tudnak tenni a forgómozgás (amelyet mérnek) és az x, y vagy z tengelyen történő rezgés között (amely visszautasítható).
- Robusztusság – az induktív jeladók induktív csatolást használnak a teljes rotorfelület és a teljes állórészfelület között. A működés megszűnéséhez a nyomtatott áramkörön elhelyezkedő tekercseket kellene elvágni.
- A mágneses jeladókkal ellentétben az induktív érzékelésnek nincs elsőrendű hőmérsékletfüggése. Így az induktív jeladók pontossága és ismételhetősége a hőmérséklet függvényében nagyságrendekkel jobb, mint a mágneses érzékelésé.
Innovatív induktív technológia
Bár az induktív jeladók jellemzői nagyon vonzóvá teszik őket az ipari alkalmazásokban, történelmileg olyan felhasználási esetekre korlátozódtak, amelyek nem igényelnek nagyfokú pontosságot (pl. < 100 ívmásodperc) és alacsony fordulatszámon működnek. Az onsemi NCS32100 egy új, kettős induktív forgási pozícióérzékelő, amely a nagy sebességgel működő ipari alkalmazásokban képes biztosítani az általában közép- és felső kategóriás optikai jeladókhoz társított pontosságot. Ez az innovatív, szabadalmaztatott technológiát alkalmazó eszköz nyolc jelcsatornával rendelkezik, amelyek különböző módon rendelhetők hozzá akár nyolc állórésztekercs használatához a finom és durva pozicionálás érdekében.
A megfelelő állórész- és forgórésztekercsekkel párosítva az NCS32100 nagy sebességgel és nagy pontossággal számítja ki az abszolút pozíciókat. A legkorszerűbb induktív jeladókat könnyedén felülmúlva az NCS32100 50 ívmásodperces vagy jobb pontosságot tesz lehetővé akár 6000 fordulat/perc sebességnél. A pontosság csökkenése mellett az érzékelő akár 100 000 fordulatszámot is képes támogatni. Magasan integrált érzékelő, amely egy Arm® Cortex® -M0+ processzort tartalmaz a konfigurációs beállítások tárolására szolgáló Flash-memóriával. Az NCS32100 olyan szintű integrációt kínál, amely egyszerű és könnyen használható megoldássá teszi. További értékes funkciók közé tartozik a hibaérzékelés, amely figyelmeztet, ha a tartalék akkumulátor töltöttsége alacsony, vagy ha az érzékelő nem működik, illetve ha túlmelegedést észlel. Integrált és gyors önkalibrációs rutinnal is rendelkezik (a gyártási állásidő minimalizálása érdekében), amely lehetővé teszi a nyomtatott áramköri aszimmetriák kompenzálását. Ez a kalibrálás nagymértékben automatizált, és gyors, mindössze 2 másodpercet vesz igénybe, minimalizálva a gyártási időre gyakorolt hatást. Egyszerűen használható programozási felülettel rendelkezik, és a maximális tervezési rugalmasság érdekében különböző kialakítású, formájú, méretű érzékelőkkel és NYÁK-okkal használható.
2. ábra Kettős induktív forgási helyzetérzékelő
Az NCS32100 – az ipari helyzetérzékelés új szintje
Az ipari robotok és a kobotok egyre robusztusabb jeladókat igényelnek a nagy pontosságú és nagy sebességű pozícióérzékeléshez. Az induktív jeladók, amelyek kiválóan ellenállnak a legkülönbözőbb környezeti tényezők által okozott zavaroknak, nagy vonzerővel bírnak ezekben az ipari alkalmazásokban. Míg a múltban viszonylagos pontatlanságuk korlátozta az induktív jeladók alkalmazását összetett elektromechanikus rendszerekben, az onsemi forgási pozícióérzékelője most optimális megoldást kínál az ipari alkalmazásokban a forgásérzékeléshez. Az onsemi NCS32100 forgó pozícióérzékelője az induktív pozícióérzékelés új megközelítését alkalmazza, hogy leküzdje a korábbi korlátokat, és lehetővé tegye a nagy pontosságú forgó pozíció-jeladók új fajtáját a nagy sebességű ipari alkalmazásokban.
3. ábra Az NCS32100 blokkdiagramja
Az NCS32100 egy teljes körű vezérlő és érzékelő interfész nagy felbontású, nagy pontosságú szögérzékeléshez nyomtatott áramköri érzékelővel. Az NCS32100 rugalmas konfigurációs képességekkel rendelkezik, amelyek lehetővé teszik a különböző induktív érzékelőmintákhoz való csatlakoztatást, és számos digitális kimeneti formátumot kínálnak. Az induktív érzékelési technikák egyedülálló előnyökkel rendelkeznek a hagyományos pozícióérzékelő megoldásokkal szemben, többek között a hőmérséklet-érzékenység, a mechanikai egyszerűsítés és a szennyeződésekkel szembeni érzéketlenség miatt.
4. ábra STR-NCS32100-GEVK fejlesztőkészlet
Az STR-NCS32100-GEVK fejlesztőkészlet
Az STR-NCS32100-GEVK fejlesztőkészlet hardvert és nyomtatott áramköri forgásérzékelőt tartalmaz az NCS32100 teljes körű bemutatásához. Az NCS32100 egy teljesen működőképes PCB forgásérzékelőhöz csatlakoztatott, amely <±50 ívmásodperc pontossággal képes érzékelni a pozíciókat. A fejlesztőkártyán lévő MCU úgy van programozva, hogy az NCS32100 érzékelővel az RS485 interfészen keresztül kommunikáljon. A kártya csatlakoztatható egy számítógéphez, amelyen az onsemi Strata alkalmazás fut, amely számos egyéb kiegészítő funkció mellett felhasználói felületet biztosít a pozíció- és sebességadatok eléréséhez. Az NCS32100 fejlesztőkártyán egy teljes forgásérzékelő alkalmazás található, a pozíció- és sebességadatok eléréséhez szükséges vezérlővel. Az adatok megjelenítése az onsemi Strata alkalmazáson keresztül történik (letölthető az onsemi.com oldalról). A fejlesztőkészletet gyárilag felprogramozva, kalibrálva vehetik kézbe a felhasználók.
Az EBV Elektronik – mint vezető félvezető-forgalmazó Európában – széles gyártói portfóliójából a legújabb alkatrészek és félvezető-megoldások teljes és folyamatos ellátását garantálja. Vegye fel a kapcsolatot az EBV technológiai és piaci szakértőivel, hogy az alkalmazásaihoz az optimális megoldást választhassa!
Több mint disztribúció – EBV Elektronik!
Farkas Szabolcs
EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ebv.com
#0b5a9a