CUI: היתרונות של מקודדי קומוטציה קיבוליים
פורסם ב-נובמבר 20, 2014
הטיפ של CUI: מקודדי קומוטציה סיבוביים קיבוליים מציעים קלות בשימוש, רשימת חומרים נוחה ושליטה חכמה בכל התהליכים באמצעות ממשק מבוסס PC
הטיפ של CUI: מקודדי קומוטציה סיבוביים קיבוליים מציעים אפשרויות מוצא שונות, קלות בתהליך האיפוס, רשימת חומרים מפושטת ושליטה חכמה באמצעות מיקרו-בקר וממשק ניהול מבוסס PC
מאת: Jeff Smoot, חברת CUI
משתמשי מקודדים הסתייגו מאז ומעולם משינויים, והייתה להם סיבה טובה. בקרת מנועים ברצפת המפעל או במתקן תעשייתי אינה מקום לחידושים המתהדרים ביצועים, אולם חסרים "קבלות" והיסטוריה ממשית. למרות שמקודדים אופטיים ומגנטיים קיימים מזה זמן רב ומתבססים על תפישות פיסיקליות שנראות "יותר מוחשיות", גם המקודד הקיבולי מבוסס על עקרונות מוכחים, וכאשר הוא מתבסס על עקרונות ספרתיים, מתקבל טווח רחב של יתרונות ורמה חדשה של חוכמה.
מקודדים סיבוביים משמשים כמעט כל יישומי בקרת התנועה. השימוש בהם מתרחב כיום כתוצאה מהשימוש הגובר במנועי זרם ישר חסרי מברשות (brushless DC), המשפרים את הבקרה, הדיוק והנצילות. המשימה המוטלת על המקודד היא בעקרון פשוטה: לספק לבקר המערכת חיווי לגבי המיקום של ציר המנוע (איור 1). באמצעות המידע הזה הבקר יכול לקבוע את המהירות, הכיוון והתאוצה, הנדרשים לחוגי בקרת התנועה.
ניתן לממש מקודדים במגוון טכנולוגיות, שכולן מספקות את היציאות הספרתיות הרגילות של האותות הניצבים A ו-B ובדגמים מסוימים גם יציאת אינדקס (איור 2-א'). מקודדי קומוטציה (המתוארים בצורה מלאה יותר בהמשך) מספקים גם את יציאות מופע (פאזה) הקומוטציה U ,V ו-W (איור 2-ב').
הטכנולוגיות של המקודדים
שלוש הגישות הנפוצות ביותר למקודדים הן הטכניקות האופטית, המגנטית והקיבולית. אם נסכם בקצרה, בגישה האופטית משתמשים בדיסק עם חריצים ונורית LED בצד אחד, ופוטו-טרנזיסטורים בצד הנגדי. כשהדיסק מסתובב מופסק נתיב האור, והאותות הנוצרים כתוצאה מכך מספקים חיווי לגבי סיבוב הציר וכיוונו. למרות היותו זול ויעיל, אמינות המקודד האופטי נפגעת כתוצאה משני גורמים: חומרים מזהמים כמו אבק ושמן שיכולים להפריע בנתיב האור, ונוריות LED בעלות אורך חיים מוגבל המאבדות מחצית מעוצמת התאורה שלהן בתוך שנים ספורות, ובסופו של דבר נשרפות כליל.
מקודדים מגנטיים דומים למקודדים אופטיים, למעט העובדה שהם משתמשים בשדה מגנטי במקום בקרן אור. במקום גלגל אופטי עם חריצים, יש בהם דיסק מגנטי המסתובב על-פני מערך של חיישני נגדים מגנטיים. כל סיבוב של הגלגל יוצר תגובה בחיישנים, העוברת אל מעגל שיפור אות הקובע את מיקום הציר. למרות שאמינותם גבוהה, המקודדים המגנטיים אינם מדויקים ורגישים להפרעות אלקטרו-מגנטיות שמקורן במנועים החשמליים.
מקודדים קיבוליים מציעים את כל היתרונות הגלומים בתכנונים האופטיים והמגנטיים ללא החסרונות שלהם. בטכניקה זו נעשה שימוש במד זחיח (Vernier Caliper) ספרתי. במקודד יש שתי תבניות של מוטות או קווים, האחת על החלק הקבוע והשניה על החלק הנע, אשר יוצרות ביחד קבל משתנה בתצורה של זוג משדר/ מקלט (איור 3). כשהמקודד מסתובב, רכיב ASIC סופר את שינויי הקווים האלו ומבצע חישובים כדי לגלות את מיקום הציר ואת כיוון הסיבוב, על-מנת להפיק את אותות המוצא המאונכים זה לזה (הסטנדרטיים) וכן את יציאות הקומוטציה שמקודדים אחרים מספקים לבקרת מנועי ה-BLDC.
היופי בטכנולוגיה הקיבולית הוא בעמידה בפני התבלות ובחסינות מחומרים מזהמים דוגמת אבק, לכלוך ושמן הנפוצים בסביבה התעשייתית. למקודדים קיבוליים גם יתרונות בביצועים הנובעים ממערכת הבקרה הספרתית שלהם. למשל, אפשרות לכוונן את הרזולוציה של המקודד (מספר אותות הדופק לסיבוב) מבלי להחליף את המקודד עצמו.
הטוב שבכל העולמות
סדרת AMT31 החדשה של CUI מייצגת מקודד קיבולי המספק אותות A ו-B מאונכים זה לזה, אות אינדקס ואותות מופע הקומוטציה U, V ו-W. קיימות 20 דרגות רזולוציה ניתנות לבחירה (48-4096 אותות לסיבוב -PPR), ושבעה זוגות קוטבי מנוע בין 2 ל-20. להקלה על ההתקנה, הסדרה כוללת גם בטבור נעילה הפועל ממתח של 5V וזרם של 16mA בלבד.
למקודד הקיבולי יש עוד יתרון מכריע: המוצא של מקודדים אופטיים ומגנטיים הוא פונקציונלי אך "טיפש". המקודד הקיבולי מבוסס על מערכת ספרתית ונעשה בו שימוש ברכיב ASIC ובמיקרו-בקר מובנים, אשר מעניקים לו טווח רחב של תכונות מיוחדות.
מקודד עם בינה דיגיטלית
האופי הספרתי של המקודד הקיבולי של CUI מאפשר איפוס פשוט ומהיר "במגע יחיד": נועלים את הציר במיקום הרצוי על-ידי חיבור של פאזות המנוע המתאימות למתח, ומעבירים למקודד פקודת "אפס" במיקום הזה. הזמן הכולל הנדרש לתהליך הוא דקה עד שתי דקות, ואין צורך במכשירים נוספים.
בניגוד לכך, איפוס ביישור מכני של אותות הקומוטציה אל כריכות המנוע באמצעות מקודד אופטי או מגנטי הוא תהליך רב-שלבי, מורכב ולא פעם מתסכל. הוא דורש נעילה של הרוטור, יישור פיסי ולאחר מכן דחיפת המנוע בכיוון הפוך תוך שימוש במשקף תנודות (אוסילוסקופ) לצפייה בכוח האלקטרו מניע (EMF) הנגדי, ובצורות הגל של המקודד לקבלת היישור הנכון של הצטלבות האפס. לעתים קרובות צריך לחזור על התהליך מספר פעמים לצורך כוונון עדין ואימות, והוא עלול להימשך 15-20 דקות.
התכונות הספרתיות של סדרת AMT משפרות במידה רבה את תהליך תכנון המערכת באמצעות יכולת אבחון והערכת ביצועי המנוע ובקר המנוע. מאחר שמקודד קיבולי יחיד יכול לתמוך בטווח רחב של ערכי רזולוציה וזוגות קטבים, המתכננים יכולים להשתמש ביכולת הזו כדי לכוונן באופן דינמי את התגובה והביצועים של חוג בקרת PID תוך כדי פיתוח הבקר והאלגוריתם, מבלי שיהיה צורך לרכוש ולהתקין מקודד חדש לחלוטין.
החוכמה המשולבת בסדרת AMT מאפשרת גם לבצע אבחונים ולקבל ניתוח מהיר של תקלות בשטח. המקודד מספק חיווי אם הוא פועל באופן תקין או קיימת תקלה דוגמת חוסר יישור מכני של הציר או בעיות אחרות. המתכנן יכול לקבוע במהירות אם יש במקודד תקלה, או שהיא נובעת ממקור אחר. תכונה מסייעת למנוע בעיות: למשל, ביצוע רצף בדיקת "המקודד תקין" ("encoder good") לפני הפעלת היישום. יכולות אלו אינן קיימות במקודדים אופטיים או מכניים, ומאפשרות לקצר את זמני ההשבתה ולחזות בעיות עתידיות.
הממשק הספרתי גם מפשט את רשימת החומרים (BOM). מאחר שאפשר להתאים בתוכנה את המקודד לגרסה המסוימת הנדרשת (PPR, זוגות קטבים, ולכיוון הקומוטציה), אין צורך להוסיף לרשימות או להחזיק במלאי או בעמדת ההרכבה גרסאות שונות הנדרשות במוצרים מרובי מנועים או במוצרים מרובים.
מקודד חכם וממשק משתמש גרפי
תוכנת AMT Viewpoint פועלת על-גבי מערכת ההפעלה Windows באמצעות ממשק משתמש גרפי ומנהלת את המקודדים הקיבוליים של חברת CUI. לשימוש בה נדרש כבל USB בלבד כדי להתחבר אל המקודד. ממשק המשתמש הגרפי (GUI) מאפשר להתאים את המקודד לצורכי היישום (איור 4).
מסך הגדרות שקיים בממשק המשתמש מאפשר צפייה בצורות גל ובתזמונים חשובים של המקודד תוך ביצוע כוונונים אוטומטיים. העובדה המשמעותית ביותר היא שתהליכי יישור ואיפוס מקודד עבור A, B, אינדקס או למצב קומוטציה, אורכים שניות ספורות בלבד.
קיים גם מצב הדגמה שבו המשתמשים יכולים לבצע פעולות הקשורות למקודד כאילו שמקודד ממשי מחובר למערכת. זו דרך נוחה להכיר את המקודדים ואת הכלים לפני הרכישה או השימוש. לבסוף, התוכנה תומכת ביצירה של מספרי חלק שיכולים לשמש בהזמנת מקודדים.
סיכום
למקודדים קיבוליים יתרונות רבים, מעבר לביצועים ולאמינות. התקן דוגמת AMT31 של CUI המכיל מעגלי ASIC ומיקרו-בקר, מספק פונקציונליות חכמה ויכולת תכנות של המקודד, התומכת בתכונות הקמה והתקנה מיתכנתות המאפשרות בחינה פנימית תוך כדי פעולה ופישוט ניהול המלאי. כאשר מחברים את התכונות האלו עם ממשק משתמש גרפי מבוסס מחשב אישי, הן יכולות לספק אפשרויות קלות לשימוש אך מתוחכמות, אשר מפשטות במידה רבה את ההיבטים של השימוש במקודד מתחילת התכנון של אב הטיפוס, ההערכה ואיתור השגיאות, דרך ההתקנה וביצוע הקונפיגורציה, ועד לאבחון ולצמצום המלאי. כל אלו בעלות דומה למקודדים אחרים ושמירה על תאימות עם סוגי מוצאים סטנדרטיים וקבלת צריכת הספק נמוכה.