Магнитные датчики угла поворота (энкодеры)

датчики
38
Магнитные датчики
угла поворота (энкодеры) EcoTurn
Александр Гауф (Alexander Hauf)
alexander.hauf@megatron.de
Анна Гусева
anna@elcompribor.ru
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.
В статье представлены технические характеристики новой серии недорогих магнитных датчиков угла поворота (энкодеров) EcoTurn, которые
производит компания MEGATRON Elektronik AG&Co (Германия).
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%).
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.
а
Рис. 1. Энкодер с втулкой (корпус 22 мм и 28 мм)
а
б
Рис. 3. Энкодер KIT:
а) корпус 22 мм; б) корпус 28 мм
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,
б
Рис. 2. Энкодер с фланцем:
а) корпус 22 мм; б) корпус 28 мм
Рис. 4. Схема сборки энкодера KIT-версии
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2012
датчики
Таблица 1. Характеристики аналоговых
датчиков EcoTurn
Электрические параметры
Электрический
угол поворота
Разрешение
Частота обновления
Стандартный 360°
Программируемый 0–20°… 0–360° ±1°
4096/оборот (12 бит)
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
Максимальная
скорость вращения
Срок службы
360°, 320°+5°/–0° (с упором)
Дополнительно, с упором: 90°,180°, 270°
800 об./мин. (латунный подшипник)
4000 об./мин. (полимерный подшипник)
>10 млн оборотов (латунный подшипник)
>25 млн оборотов (полимерный подшипник)
– 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.
• 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.
Рис. 9. Функция переключения
Другие
Степень защиты
Рабочий диапазон
температур
39
IP65 (с дополнительным уплотнением вала)
–40…+85 °С
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.
Рис. 7. Установка центра
• 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.
Рис. 5. Эффективный электрический угол
Рис. 8. Многоточечное программирование
• Программирование нулевой точки (EA2)
(рис. 6):
– Выставленная механическая нулевая
точка (отмечена на корпусе датчика).
Рис. 6. Программирование нулевой точки
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2012
• Направление вращения (EA6) (рис. 10):
– Стандартное направление вращения
по часовой стрелке.
– Изменение направления вращения на направление против часовой стрелки.
Рис. 10. Направление вращения
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 последова-
Рис. 11. Схема соединения SSI для EcoTurn
www.kite.ru
датчики
40
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
SPI: 5 кГц
SSI: 10 кГц
5 В ±10%
9–30 В
Частота
Напряжение питания
Механические параметры
Механический угол
поворота
Максимальная
скорость вращения
Срок службы
360°, 320°+5°/–0° (с упором)
Дополнительно: 90°,180°, 270°
400 об./ мин. (латунный подшипник)
4000 об./мин. (полимерный подшипник)
>10 млн оборотов (латунный подшипник)
>25 млн оборотов (полимерный подшипник)
Другие
Степень защиты
Рабочий диапазон
температур
IP65 (с дополнительным уплотнением вала)
–40…+85 °С
тельности 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.
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
Рис. 12. Схема соединения SPI для EcoTurn
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
Каналы
Выходной сигнал
Частота максимальная
Напряжение питания
1–128, 256, 512, 1024 импульса/оборот
A, B, Z
Open Collector, TTL
500 кГц
4,5–5,5 В
9–30 В
Механические параметры
Механический угол
поворота
Максимальная
скорость вращения
Срок службы
360°, 320°+5°/–0° (с упором)
Дополнительно: 90°,180°, 270°
800 об./мин. (латунный подшипник)
4000 об./мин. (полимерный подшипник)
>10 млн оборотов (латунный подшипник)
>25 млн оборотов (полимерный подшипник)
Другие
Степень защиты
Рабочий диапазон
температур
Рис. 13. Двухканальная микросхема
IP65 (с дополнительным уплотнением вала)
–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.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2012
датчики
Таблица 4. Условные обозначения для заказа
Без упора 360°
С упором (для корпуса с втулкой)
90°,180°, 270°
Нулевая отметка на корпусе
Крутящий момент для оси:
легкий, средний, тяжелый
Уплотнитель оси (IP65)
Длина оси (до 50 мм)
Длина кабеля
Полимерный подшипник
Таблица 5. Специальные опции для заказа
OCW360
Без антиротационного штифта (для корпуса с втулкой)
MS1
SCW90, SCW180, SCW270
С упором, другие углы
MS2
Специальная форма оси
MS3
N
LT, MT, HT
D
A..
CV…
P
Питание/выход
5 В/0–5 В
9–30/0–5 В
15–30 В/0–10 В
9–30 В/4–20 мА
9–30 В/0–20 мА
5 В/ШИМ
5 В/SPI
5 В/SSI
9–30 В/SSI
5 В/TTL
5 В/Open Collector
9–30 В/Open Collector
0505
DC05
2410
2442
2402
0505PWM
05SPI
05SSI
24SSI
05TTL
05OC
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
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2012
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
подшипник, с крутящим моментом LT, длиной оси 30 мм, длиной кабеля 0,1 м.
Кроме стандартных, доступны специальные
опции, которые представлены в таблице 5.
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.
41
• 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.
n
www.kite.ru