Програмно-апаратний комплекс управління та обліку інформації
3.1.2 Критерій вибору датчика для визначення лінійного зміщення
Як датчик для визначення лінійного зміщення був обраний абсолютний кутовий енкодер AS5040.
Переваги:
- Найкраще співвідношення ціна / точність;
- Відсутня механічний знос;
- 360 ° абсолютний кругової магнітний енкодер;
- 10, 9, 8, 7-біт програмоване дозвіл.
Цей датчик знаходиться у вільному продажу і не є дефіцитним. Також є докладна документація з прикладами його використання.
Принцип роботи з енкодера.
Кутовий енкодер складається з ІС енкодера, що вимірює зміна магнітного поля, розподіленого на торцевій поверхні стандартного діаметрально намагніченого циліндричного магніту
Рисунок 10 - Робочий принцип двохосьового абсолютного кутового енкодера на прикладі AS5040 (SSOP16).
У інтегральних датчиках технологія ефекту Холла реалізована у вигляді кругового сенсорного масиву чутливих елементів, зосереджених навколо кремнієвої підкладки в центрі ІС. Хрестоподібний сенсорний масив, що складається з попарно ортогонально орієнтованих елементів Холла, формує двовимірне розподіл електричної напруги, відповідного синусоидальному просторовому розподілу робочого магнітного поля B, яке математично моделюється виразом:
де Bmax - амплітудне значення магнітного поля, Boff - ненульовий зсув поля, ц - фазовий зсув магнітного поля від нульової осі при обертанні магніту щодо нерухомого енкодера (вимірюваний кут),
x = щt + ц0
x - приведена незалежна змінна, щ - кутова швидкість, t - власне незалежна змінна (час),
ц0 - кутова координата нульової площини в полярній системі відліку.
При інтегруванні магнітного поля по x в чотирьох елементах ортогонально орієнтованих пар і підсумовуванні отриманих інтегралів будуть отримані синусна і косінусна інформація (виходи напруги) про кутове положення магніту. Абсолютне кутове положення розраховується з використанням функції арктангенс:
У сімействі AS50хх інтегрована обробка сигналів з функцією арктангенс, реалізованої з 6-бітним диференціальним АЦП (AS5020 і AS50223) або 10-бітовим АЦП (AS5040 / 3), утворює еквівалентний по розрядності двійковий код, доступний через стандартний синхронний послідовний SSI-інтерфейс, і дозволяє зчитувати відповідно 64 або 1024 кутових становища за період 360 ° (див. ріс.36). Цифровий код включає попереджуючі біти стану джерела магнітного поля й біти парності.
Рисунок 11 - Схема 10-бітного програмованого кутового енкодера AS5040: а - функціональна схема; б - SSI - інтерфейс з даними про абсолютне кутовому положенні, в - інкрементальні вихідні режими AS5040; г - гістерезис інкрементальних висновків; д - ШІМ - інтерфейс з даними про абсолютне положенні
Етап початкового інтегрування скидає компоненти помилок зсуву, наведені магнітним джерелом або перешкодами. Спеціальний алгоритм з пропорційною арктангенсной функцією дозволяє мінімізувати варіації магнітного поля, викликані помилками вирівнювання магніту і впливом робочих умов.
Стосовно до AS50xx поліпшена техніка компенсації елементів Холла спільно зі схемою компенсації інструментального підсилювача мінімізує типові помилки технологічного процесу, корпусування, впливу температури і помилок посилення і допускає освіту напруги зміщення всього кілька мілівольт. Індивідуальний контроль напруги зсуву елементів Холла і зміщуються струмів дозволяє забезпечувати кращий контроль дрейфу посилення та неузгодженостей окремих сигналів.
Обробка сигналу в AS5040 здійснюється через сигма-дельта аналогоцифрового перетворення і CORDIC-алгоритм ЦГЗ, що розраховує величину і зміщення сигналів елементів Холла, що забезпечує одержання високоточної інформації про абсолютне кутовому положенні.
Магнітні кутові енкодери типу AS5040 стійкі до зсувів магніту і зовнішнім магнітним збурень згідно диференціальної техніці вимірів, варіацій повітряного зазору і температурних варіацій згідно синусно - косинусне оцінці сигналу.
Цифрове слово SSI-інтерфейсу AS5040 з 10-бітним кодом даних включає біти статусу компенсації зрушень, помилки даних (переповнення CORDIC-алгоритму), застережливий біт лінійності, цифрову інформацію MagINCn іMagDECn про переміщення магніту у вертикальній осі (доступну також на виходах MagINCn і MagDECn), і біт парності. Абсолютна становище оцінюється зі швидкістю 10 кГц (0,1 мс), що відповідає зчитування 1024 положень магніту за період 360 ° протягом 0,1 с (9,76 Гц або 585,9 об / хв максимум). Без пропусків можливо отримання швидкостей до 1200 об / хв.
На додаток, 10-бітове абсолютне значення кута у вигляді одноканального ШІМ-сигналу з робочим циклом, пропорційним куті, є на виведення 12 PWM_LSB. З використанням зовнішнього ФНЧ ШІМ-сигнал може бути перетворений в пропорційне аналогове напруга, що дозволяє використовувати AS5040 для заміщення потенціометрів.