Magnetické snímače polohy AS5145B

Snímání polohy respektive natočení hřídele a jeho pohybu jsou  poměrně častým problémem při řízení a regulaci. Klasické řešení pomocí polohových nebo inkrementálních kotoučů s optickým snímáním je na ústupu, podstatně menší rozměry a velmi dobré rozlišení i přesnost poskytují nové integrované magnetické snímače založené na Hallových sondách.

Obvod AS5145B je výrobkem rakouské firmy Austriamicrosystems AG. Jde o 12-bitový rotační magnetický enkodér s rozsahem 360°, takže rozlišení polohy je 0,0879°, reálná přesnost včetně chyb nekompenzované nelinearity se pohybuje kolem 1° a je závislá i na průměru magnetu použitého ke snímání. Výstup absolutní polohy je poskytován jednak ve formě sériově přenášeného digitálního čísla, jednak jako šířkově modulovaný pulz v rozsahu 1 až 4097 mikrosekund s opakováním 244 Hz. Tento signál se může velmi jednoduše převést na napětí. Kromě toho jsou k dispozici i inkrementání pulzy. Nulový bod lze uživatelsky nastavit. K napájení slouží jmenovité napětí 3,3 nebo 5,0 V. Při maximálním rozlišení polohy jde měřit pohyb až do 153 ot/min, snížením rozlišení můžeme rozšířit rozsah až téměř k 10000 ot/min. Obvod je dostupný v e-shopu přímo na internetových stránkách výrobce nebo kusově například v sortimentu firem Spezial Electronic nebo Mouser Electronics  – AS5145H v ceně do 10 EUR).

Jako příklad aplikace, v níž se již uvedený obvod úspěšně používá, si uvedeme modelářská serva taiwanské firmy Anderson Model Company, konkrétně typ 530300HV-PLS. Modelářská serva se často využívají například i v amatérské robotice. A jaké výhody přináší použití magnetického enkodéru?

IMGP9165b

Běžné (levné) modelářské servo je osazeno stejnosměrným komutátorovým elektromotorem s permanentními feritovými magnety, ke snímání polohy výstupu slouží klasický potenciometr. Oba tyto díly obsahují mechanické kontakty a oba radikálně omezují životnost. Opotřebení motoru (komutátoru) je úměrné hlavně zatížení serva, protože vyšší proud má za důsledek vyšší opalování kontaktů, mechanický otěr (nezávislý na zatížení) hraje druhou roli. Opotřebení dráhy potenciometru je na zatížení nezávislé, určitý vliv na něj mají vibrace.

Pokud nahradíme v servu potenciometr magnetickým snímáním polohy, zvýší se jeho životnost, ale podstatně se to projeví jen u rychlých serv pracujících s malým momentem. Jestliže současně nahradíme komutátorový motor „střídavým“ motorem s elektronickou komutací, je rozdíl v životnosti propastný, o jeden až dva řády (!!). Firma Anderson deklaruje více než 4 miliony cyklů v provozu. Pokud není servo vystaveno nadměrnému zatížení nebo vibracím, může to být až 10x víc. Hlavním přínosem magnetického snímání je tedy velké zvýšení spolehlivosti a životnosti, kromě toho servům bez kontaktů (contactless – CLS) tolik nevadí prach, mohou dokonce pracovat zalitá v oleji a mohou být i víceotáčková bez změny konstrukce.

Samostatný mechanický celek, jakýsi „magnetický digitální potenciometr“ na snímku má plastové tělo, hliníkový unašeč s nalepeným prstencovým neodymovým magnetem a obvod AS5145 na destičce s plošným spojem přišroubované k tělu. Celek nemá magnetické stínění. Ke spojení s řídícím mikrokontrolérem slouží pět vodičů. Jedinou nevýhodou tohoto řešení je znatelná, i když poměrně malá citlivost na vnější magnetické pole. K tomu, aby se ovlivnění polem viditelně projevilo, je však třeba na dotek ke krytu serva dát větší neodymový magnet nebo jej těsně umístit mezi vodiče s protékajícím proudem řádu stovek A.