Trzecie rozwiązanie – enkoder pojemnościowy – łączy zalety enkoderów optycznych i magnetycznych, ale bez ich wad. Zasadę działania można opisać jako cyfrową wersję noniusza. Układ ma dwa rzędy podziałek lub linii, jeden na elemencie nieruchomym, a drugi na ruchomym. Razem tworzą one kondensator o zmiennej pojemności, co pokazuje rysunek 3.
Rys. 3. Konstrukcja enkodera pojemnościowego
Wraz z obrotami enkodera wewnętrzny układ scalony zlicza zmiany i dokonuje interpolacji, aby znaleźć pozycję wału i kierunek obrotu. W ten sposób otrzymuje się standardowe wyniki kwadraturowe oraz fazy komutacji używane do sterowania silnikami BLDC. Do zalet technologii pojemnościowej należy odporność na zanieczyszczenia, takie jak piach, pył i olej oraz brak elementów, które ulegałyby zużyciu, takich jak LED. Dzięki temu układy są bardziej niezawodne od modeli optycznych. Enkodery pojemnościowe cechują się również lepszymi parametrami ze względu na funkcje cyfrowej kontroli. Do tych funkcji należy możliwość dopasowania rozdzielczości enkodera (liczby impulsów na obrót – PPR) bez potrzeby wymiany układu na enkoder o wyższej lub niższe rozdzielczości.
Praktyczne zalety enkoderów pojemnościowych
Wykonanie enkodera pojemnościowego jako układu cyfrowego daje dodatkowe korzyści na wszystkich etapach jego życia, od projektowania produktu do instalacji i konserwacji. Natomiast enkoder optyczny lub magnetyczny nie dostarcza dodatkowych możliwości poza podstawową funkcjonalnością i nie oferuje tej wszechstronności, informacji ani innych zalet podczas pracy. Układ scalony wbudowany w enkoder pojemnościowy pełni dodatkowe funkcje i pozwala poprawić osiągane parametry.
Przykładem jest możliwość natychmiastowego zerowania wyniku w celu wyrównania enkodera i silnika bezszczotkowego. Jest to bardzo proste: wystarczy zablokować wał w żądanym położeniu poprzez ustalenie określonej fazy sterowników i ustawić tą wartość jako zero wskazywane przez enkoder. Trwa to sekundy i nie wymaga specjalnych przyrządów. Natomiast enkoder magnetyczny lub optyczny musi być zerowany przez mechaniczne wyrównanie uzwojenia napędu z sygnałami komutacji. Jest to złożony i często uciążliwy proces. Obejmuje zablokowanie wirnika, fizyczne dopasowanie jego położenia i uruchomienie napędu przy jednoczesnej obserwacji siły elektromotorycznej i przebiegów enkodera na oscyloskopie. Jest to zazwyczaj proces iteracyjny, w którym kolejne kroki muszą być wielokrotnie powtarzane, aby uzyskać dokładną kalibrację i potwierdzić wynik. Cały proces może trwać nawet 20 minut.
Cyfrowe funkcje układów z serii AMT są pomocne również na etapie projektowania systemu. Zwiększają one funkcjonalność, umożliwiają diagnostykę i poprawiają wydajność silnika. Pojedynczy enkoder pojemnościowy potrafi obsłużyć szeroki zakres rozdzielczości i liczby par biegunów. Projektanci mogą podczas tworzenia algorytmu i układu kontroli wykorzystać funkcję programowalnej rozdzielczości do dynamicznej zmiany zachowania układu w pętli kontrolnej. Nie ma zatem potrzeby kupna całkowicie nowego enkodera.
Inteligentne funkcje wbudowane w enkoder pojemnościowy, taki jak seria AMT firmy CUI, pozwalają również przeprowadzić diagnostykę układu umieszczonego na płytce, aby szybciej ustalić przyczynę awarii podczas pracy. Enkoder można odpytać, aby ustalić, czy pracuje on poprawnie lub też występują błędy spowodowane przesunięciem wału. Dzięki temu projektant może szybko stwierdzić, czy przyczyną awarii jest enkoder, czy też źródło problemu leży gdzie indziej.
Co więcej, inżynierowie mogą wykorzystać te funkcje do celów diagnostycznych, na przykład wywołując sekwencję testową przed uruchomieniem systemu. Te możliwości, których nie mają enkodery optyczne lub mechaniczne, pozwalają zredukować czas awarii do minimum oraz przewidzieć problemy, które mogą powstać po wdrożeniu urządzeń do pracy.
Zintegrowany cyfrowy interfejs pozwala również zmniejszyć całkowity koszt elementów. Ponieważ enkoder można programowo dopasować do wymagań systemu, takich jak liczba impulsów na obrót, liczba par biegunów i kierunek komutacji, nie ma potrzeby używania wielu wersji układów w produktach zawierających wiele silników lub w wielu różnych produktach.
Inteligentna aplikacja GUI
Oprogramowanie AMT dla enkoderów pojemnościowych pracuje na systemie Windows. Pozwala ono przyspieszyć projektowanie i upraszcza żmudne czynności, takie jak określenie modelu i wersji układu. Aplikacja komunikuje się z enkoderem za pośrednictwem kabla USB, wykorzystując prosty, szeregowy format danych. GUI pozwala użytkownikowi dopasować enkoder do wymagań systemu, co pokazano na rysunku 4.
Rys. 4. Oprogramowanie AMT Viewpoint ma łatwy w użyciu interfejs projektanta
Ekran ustawień aplikacji umożliwia użytkownikowi obserwację przebiegów i parametrów czasowych enkodera. Ustawienia są automatycznie dopasowywane wraz ze zmianą ustawień układu. Zaprogramowanie enkodera przy użyciu GUI wymaga tylko kilku naciśnięć klawiszy i trwa około 30 sekund, Co najważniejsze, wyrównanie enkodera i zerowanie sygnału A, B, licznika lub trybu komutacji zabiera kilka sekund, co stanowi ogromny zysk w porównaniu z enkoderem bez możliwości programowania. Tryb demonstracji służy do przeglądu możliwych operacji bez podłączenie prawdziwego enkodera. Pozwala to zapoznać się z enkoderami i narzędziami przed ich zakupem lub wykorzystaniem w rzeczywistości. Ostatnią funkcją GUI jest generacja uporządkowanych numerów seryjnych dla określonych wersji enkoderów. Poszczególne modele różnią się formatem danych wyjściowym, adapterem do tulei i podstawką montażową.
Enkodery oparte na technologii pojemnościowej oferują znacznie więcej, niż tylko lepsze osiągi i niezawodność. Urządzenie takie, jak CUI AMT31 zwiera wbudowany układ scalony i mikrokontroler, które zapewniają rozbudowaną funkcjonalność – wgląd w działania urządzenia i uproszczenie zarządzania elementami. Model AMT31 został pokazany na rysunku 5.
Rys. 5. Enkoder AMT31 łączy trwałość, elastyczność i zaawansowane funkcje
Dzięki połączeniu tych funkcji z aplikacją graficzną pracującą na komputerze PC zaawansowane funkcje są łatwo dostępne. Rozwiązanie to znacznie upraszcza wszelkie aspekty wykorzystania enkodera, od projektowania prototypu, oceny i testów, przez montaż i konfigurację aż do diagnostyki i inwentaryzacji. Te możliwości są dostępne w cenie zbliżonej do innych enkoderów. Układy zapewniają kompatybilność ze standardowymi rodzajami wyjść i formatami danych, jednocześnie utrzymując niskie zużycie mocy.
