Индуктосины KUBO – техническое описание

 

Введение

Поворотные индуктосины KUBO серии MF являются бесконтактными прецизионными индукционными датчиками углового положения или комбинированными датчиками углового положения и скорости.

Индуктосины предназначены для применения в современных высокоточных и быстродействующих робототехнических и мехатронных системах, в том числе системах прямого привода, к которым предъявляются высокие требования по точности, динамике и стойкости к внешним воздействующим факторам.

Индуктосины относятся к информационным электрическим машинам, однако в отличие от классических синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ) и редуктосинов, обладают аксиальным магнитным потоком и работают на частотах возбуждения в несколько мегагерц. По сравнению с СКВТ индуктосины обладают существенно меньшими габаритами, массой и моментом инерции ротора, так как в их конструкции отсутствует железный магнитопровод. В конструкцию датчиков KUBO встроен контроллер с алгоритмами цифровой обработки сигналов, что исключает необходимость во внешнем устройстве преобразования.

Индуктосины KUBO являются полностью отечественной разработкой, созданной и производящейся в Российской Федерации. KUBO обладает всей полнотой технологии разработки и производства индуктосинов:

– разработан математический аппарат и CAE-система на его основе для расчета, моделирования и оптимизации электромагнитной структуры

– разработана собственная топология обмоток

– созданы оригинальные аппаратные и программные решения аналого-цифровой обработки сигналов.

 

Рисунок 1 – Индуктосин MF100

 

Линейка поворотных индуктосинов KUBO

Характеристики линейки датчиков KUBO представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Индуктосины KUBO

	MF75	MF100	MF125	MF150
Тип отсчета	Абсолютный
Тип выхода	По положению или по положению и скорости
Опция “разрешение 17 бит”, отсчетов на оборот	131 072
Опция “разрешение 21 бит”, отсчетов на оборот	2 097 152
Статическая точность, угл. сек.	±80	±60	±48	±40
Внутренняя частота обновления положения, кГц	20
Коэффициент температурного дрейфа, ppm/K	≤ 0,5
Максимальная рабочая скорость вращения, об/мин	4 150	3 120	2 500	2 080
Максимальная физическая скорость вращения, об/мин	10 000
Цифровой интерфейс	SSI
Напряжение питания, В	От 5 до 15
Ток потребления, мА	Типовой – 50, максимальный – 100
Время инициализации до первого корректного измерения, мс	≤ 200

Планируется расширение типоразмерного ряда как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения внешнего диаметра.

 

Принцип работы индуктосинов

Работа датчиков углового положения KUBO основана на принципе электромагнитной индукции, в соответствии с которым в системе из двух катушек, имеющих общий магнитный поток (потокосцепление), создаваемый передающей катушкой, в приемной катушке возникает электродвижущая сила (ЭДС), величина которой пропорциональна скорости изменения общего магнитного потока.

Индукционные датчики углового положения состоят из статора и ротора, несущих печатные обмотки, зазор между которым составляет около 1 мм. Статор генерирует переменный магнитный поток, который индуцирует в роторе ЭДС и, как следствие, ток в печатной обмотке ротора, создающий магнитный поток, направленный обратно к статору. Магнитный поток ротора индуцирует в печатной обмотке статора ЭДС, несущую информацию об угловом положении ротора относительно статора. Эта ЭДС обрабатывается встроенным в статор контроллером, который на выходе формирует цифровой код с информацией об угловом положении ротора.

Корпуса ротора и статора, выполненные из легкого металлического сплава, образуют клетку Фарадея, тем самым препятствуя распространению переменного магнитного поля и связанных с ним наводок на окружающие электрические цепи за пределы индуктосина. Частота переменного магнитного поля индуктосинов KUBO лежит в диапазоне от 2 МГц до 5 МГц, тем самым попадая в интервал между радиодиапазонами средних и коротких волн.

Частота обновления в контроллере данных об угловом положении ротора составляет 20 кГц.

В течение первых 200 мс после подачи питания встроенный контроллер осуществляет инициализацию индуктосина, в течение которой ротор должен оставаться неподвижным.

 

Статическая точность, повторяемость и разрешающая способность

В зависимости от назначения электропривода могут предъявляться различные требования к статической точности, повторяемости и разрешающей способности датчика углового положения.

Статическая точность является справочным параметром, приведенным в таблице 1, и характеризует статическую ошибку показаний датчика относительно более точного опорного датчика, например, оптического.

Повторяемость датчиков составляет ±1 LSB (least significant bit) и обусловлена систематическим характером статической ошибки датчика, а также отсутствием гистерезиса ввиду отсутствия железного магнитопровода.

Ввиду высокой повторяемости показаний датчика для целей увеличения статической точности в ряде случаев целесообразно проводить калибровку индуктосина по месту установки, которая позволяет нивелировать погрешности установки статора относительно ротора.

Разрешающая способность также является справочным параметром, приведенным в таблице 1. Вид шума индуктосина MF100 с опцией 21 бит показан на рисунке 2. По оси ординат показаны отсчеты индуктосина, по абсцисс – время. Размах шума составляет ±2 единицы, что соответствует углу ±1,24” (угловой секунды).

Рисунок 2 – Шум датчика MF100 в статическом положении при работающем ШИМ электродвигателя

 

Высокая разрешающая способность датчиков необходима для прецизионных следящих систем, к которым предъявляются высокие требования по плавности движения и отсутствию “подработки” электродвигателя из-за шума датчика.

Важно отметить, что высокая разрешающая способность индуктосинов KUBO достигается не за счет фильтрации выходного сигнала, которая повлекла бы за собой фазовое запаздывание и ограничение полосы частот электропривода, а за счет оптимизированной электромагнитной структуры печатных обмоток, а также комплекса схемотехнических и программных решений.

 

Стойкость к внешним воздействующим факторам (ВВФ)

По сравнению с датчиками, построенными на других физических принципах, индуктосины обладают уникальной устойчивостью в различным ВВФ.

Электромагнитные наводки

Ввиду того, что индуктосин может работать в условиях больших электромагнитных наводок, например, от магнитов вращающегося ротора, в топологии печатных обмоток используется принцип компенсации внешнего поля, показанный на рисунке 3.

Рисунок 3 – Принцип компенсации внешней наводки

 

Суть компенсации состоит в том, что внешняя наводка является синфазной по отношению к системе из двух включенных встречно витков печатной обмотки. Соответственно, создаваемые в витках ЭДС с разными знаками компенсируются.

Удары и вибрация

Высокая стойкость индуктосинов KUBO к ударам до 100 g и длительностью до 10 мс, а также синусоидальной и широкополосной случайной вибрации, обусловлена надежной конструкцией ротора и статора, внутренний объем которых заполнен прочным компаундом. Вид разреза статора индуктосина показан на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Разрез статора индуктосина

 

Для подключения датчиков к внешней системе управления используется пайка жгута на запрессованные в плату статора индуктосина штырьковые лепестки по ОСТ 92-0316-67. После пайки жгут подвязывается к отверстиям для привязки. При необходимости место пайки можно защитить лаком УР-231 или его аналогами.

Внешняя среда

Электромагнитный принцип функционирования индуктосина обеспечивает возможность работы в неэлектропроводных жидкостях и средах, при влажности от 0% до 100%, а также в условиях попадания неэлектропроводных частиц во внутреннее пространства между ротором и статором.

В отличие от оптических датчиков, индуктосины нечувствительны к загрязнению поверхности, выпадению росы и т. п.

В ряде случаев после установки датчика в изделие может быть рекомендована защита печатных плат индуктосина, включая место пайки внешнего жгута, лаком УР231 или его аналогами.

Температура

Электромагнитная структура индуктосинов разработана таким образом, что все изменения геометрии, связанные с вариацией температуры окружающей среды, в значительной степени автоматически компенсируются.

Температурный дрейф выходного сигнала составляет менее ≤ 0,5 ppm/K.

Температурный диапазон работы датчиков составляет от -40°С до +85°С и может быть увеличен по результатам испытаний в составе изделия Заказчика.

 

Интерфейс обмена

Принципиальная электрическая схема подключения индуктосина показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема подключения

 

При длине кабеля до 1 м могут быть использованы обычные провода без экранов. При наличии в аппаратуре сильного электромагнитного излучения или при длине кабеля больше 1 м рекомендуется использовать свитые попарно провода в экране.

Штырьковые лепестки XT1 и XT2 являются выходами. Запрещено использовать подтягивающие резисторы на линиях SYNC+ и SYNC-!

Для информационного обмена индуктосинов с системой управления верхнего уровня используется интерфейс SSI с физическим уровнем стандарта RS-422. Обмен осуществляется по двум дифференциальным линиям: вход CLOCK (терминатор 120 Ом последовательно с конденсатором 0.01 мкФ установлен на линии CLOCK со стороны индуктосина) и выход DATA (рекомендуется подключение терминатора 120 Ом).

Как показано на рисунке 6, передача актуальных данных от датчика положения осуществляется по линии DATA синхронно с последовательностью импульсов на линии CLOCK. Актуальные данные о положении защелкиваются для дальнейшей передачи с внутренней частотой 20 кГц независимо от интервала обмена по интерфейсу SSI. Передача актуальных данных о положении осуществляется по первому отрицательному фронту на линии CLOCK.

 

Рисунок 6 – Протокол обмена SSI

 

T:                   Период импульсов на линии CLOCK (1/T = 100 кГц…2МГц).

Trc:                Read Cycle time. Определяется как (n x T) + (0,5 x T).

Tmu:              Message Update time. Время после последнего отрицательного фронта тактирования до момента обновления данных о положении. Tmu = 20 мкс ± 1 мкс. Линия DATA будет выставлена в ‘1’ сразу после Tmu, что означает готовность к новому обмену.

Timg:             Intermessage Gap time. Должно быть Timg > Tmu, иначе данные о положении будут не определены.

n:                   Количество бит в сообщении.

 

Варианты протоколов обмена приведены в таблицах 2-5.

Таблица 2 – Базовый протокол обмена 

Номер бита	Наименование	Значение
D31-D24		Всегда‘1’. Период обработки текущего положения.
D23	PV	Position Valid Flag. ‘1’ – данные о положении верны и прошли внутреннюю проверку ошибок; ‘0’ – в остальных случаях.
D22	ZPD	Zero Point Default. Всегда установлен ‘1’
D21-D0	PD[21:0]	Данные о положении в двоичном формате. Если разрешение датчика меньше 22 бит, то в старших битах установлен ‘0’. LSB соответствует D0. В случае PV = ‘0’ правильность данных о положении не гарантируется.

Таблица 3 – Протокол обмена c CRC 

D37-D30		Всегда ‘1’. Период обработки текущего положения
D29	PV	PositionValidFlag. ‘1’ – данные о положении верны и прошли внутреннюю проверку ошибок; ‘0’ – в остальных случаях.
D28	ZPD	ZeroPointDefault. Всегда установлен ‘1’
D27-D6	PD[21:0]	Данные о положении в двоичном формате. Если разрешение датчика меньше 22 бит, то в старших битах установлен ‘0’. LSB соответствует D0. В случае PV = ‘0’ правильность данных о положении не гарантируется.
D5-D0	CRC[5:0]	CRC-6 Полином: 0x43 (только для PV, ZPD и PD) Начальные данные: 0x00 MSB сначала Данные CRC инвертированы

 Таблица 4 – Протокол обмена c выходом по скорости

D45-D38		Всегда ‘1’. Период обработки текущего положения
D37	PV	PositionValidFlag. ‘1’ – данные о положении верны и прошли внутреннюю проверку ошибок; ‘0’ – в остальных случаях.
D36	ZPD	ZeroPointDefault. Всегда установлен ‘1’
D35-D14	PD[21:0]	Данные о положении в двоичном формате. Если разрешение датчика меньше 22 бит, то в старших битах установлен ‘0’. LSB соответствует D0. В случае PV = ‘0’ правильность данных о положении не гарантируется.
D13-D0	SD[13:0]	Данные о скорости в двоичном формате. Знаковая величина, знаковый бит расположен в SD13. LSB соответствует SD0. Разрешение: 0,57 об/мин

 Таблица 5 – Протокол обмена c выходом по скорости и с CRC

D51-D44		Всегда ‘1’. Период обработки текущего положения
D43	PV	PositionValidFlag. ‘1’ – данные о положении верны и прошли внутреннюю проверку ошибок; ‘0’ – в остальных случаях.
D42	ZPD	ZeroPointDefault. Всегда установлен ‘1’
D41-D20	PD[21:0]	Данные о положении в двоичном формате. Если разрешение датчика меньше 22 бит, то в старших битах установлен ‘0’. LSB соответствует D0. В случае PV = ‘0’ правильность данных о положении не гарантируется.
D19:D6	SD[13:0]	Данные о скорости в двоичном формате. Знаковая величина, знаковый бит расположен в SD13. LSB соответствует SD0. Разрешение: 0,57 об/мин
D5-D0	CRC[5:0]	CRC-6 Полином: 0x43 (только для PV, ZPD, PD и SD) Начальные данные: 0x00 MSB сначала Данные CRC инвертированы

 

На линии синхронизации SYNC индуктосин формирует импульсы, передний фронт которых соответствует моментам времени защелкивания данных о текущем угловом положении в контроллере индуктосина. Это позволяет ввести компенсацию задержки на время преобразования сигнала в контроллере и на передачу данных по интерфейсу SSI. Данная функция применяется, например, в приводах радиолокаторов.

Установка

Для правильной установки в корпус изделия на странице индуктосинов размещены габаритные и монтажные чертежи, а также 3D STEP-модели.

Корпуса индуктосинов покрыты изолирующим покрытием Ан.Окс. В случае необходимости корпус датчика может быть соединен с корпусом устройства (шасси).

 

Заказные исполнения индуктосинов

По требованиям Заказчика KUBO может выполнить доработку имеющихся индуктосинов или разработку новых моделей.

Возможные изменения могут касаться внешнего диаметра, протокола или интерфейса обмена, замены штырьковых лепестков на разъемный соединитель, вынесения контроллера за пределы индуктосина, многооборотного исполнения и др. Обратитесь в KUBO для уточнения возможных опций.

Совместно со встраиваемыми электродвигателями серий JCM, JYC и JGV KUBO предлагает Заказчикам современный набор компонентной базы цифрового электропривода отечественного производства.