Два типа потенциометров для организации обратной связи в электрических линейных актуаторах
Линейные и многооборотные поворотные потенциометры: принцип работы, преимущества, ограничения и влияние на стоимость актуатора
Основная идея линейного и поворотного потенциометра:
- Линейный потенциометр измеряет фактическое перемещение выходного звена.
- Поворотный потенциометр измеряет вращение винта или передачи и требует пересчета в миллиметры.
Рис.1 Два варианта потенциометрической обратной связи: линейный и поворотный потенциометр
1. Зачем актуатору нужна обратная связь
Электрический линейный актуатор преобразует вращение электродвигателя в поступательное перемещение штока. В простейшем варианте система управления может только подать команду на выдвижение или втягивание. Для автоматического позиционирования этого недостаточно: контроллеру необходимо знать фактическую координату штока.
Концевые выключатели сообщают только о достижении крайних положений. Непрерывная обратная связь позволяет определять положение во всем диапазоне хода и строить замкнутую систему позиционирования.
Что дает обратная связь по положению:
- определение текущего положения штока в миллиметрах или процентах хода;
- остановку в промежуточных точках;
- повторный выход в ранее заданную позицию;
- синхронизацию двух и более актуаторов;
- контроль выполнения команды и обнаружение заклинивания;
- реализацию автоматического регулирования по положению.
Основные типы обратной связи
* - Концевые выключатели полезны как независимая защита крайних положений, но сами по себе не являются непрерывным датчиком координаты штока.
2. Обратная связь на базе потенциометра
Потенциометр представляет собой резистивный датчик с двумя крайними выводами и подвижным контактом — ползунком. На крайние выводы подается стабильное опорное напряжение, а с ползунка снимается аналоговый сигнал, зависящий от его положения.
Например, при питании потенциометра от 10 В контроллер может интерпретировать диапазон приблизительно как 0 В = полностью втянутый шток, 5 В = середина хода, 10 В = полностью выдвинутый шток. На практике крайние значения калибруют, поэтому рабочий диапазон может быть, например, 0,2–9,8 В.
Преимущества потенциометрической обратной связи:
- абсолютная информация о положении сразу после включения питания;
- простая трехпроводная схема подключения;
- совместимость с обычным аналоговым входом ПЛК или контроллера;
- невысокая стоимость по сравнению с абсолютными энкодерами;
- простое масштабирование сигнала в миллиметры или проценты;
- возможность получить стандартный выход 0–10 В или, через преобразователь, 4–20 мА.
Недостатки:
- контактный ползунок изнашивается при большом количестве циклов;
- со временем возможны шум и нестабильность сигнала;
- датчик необходимо защищать от влаги, пыли, масла и механических перегрузок;
- для высокой цикличности и большого ресурса часто предпочтительны бесконтактные датчики.
Примечание - Потенциометр обычно является датчиком, а не самостоятельным измерительным прибором. Пересчет напряжения в миллиметры выполняет ПЛК, встроенный контроллер актуатора или цифровой индикатор с функцией масштабирования.
3. Два типа потенциометров в линейных актуаторах
Линейный потенциометр
Или еще его называют потенциометрический датчик линейного перемещения, имеет прямолинейную резистивную дорожку. Ползунок механически связан со штоком, кареткой или ходовой гайкой. При перемещении актуатора ползунок движется на ту же величину, поэтому электрический сигнал непосредственно связан с линейной координатой.
Принцип можно представить цепочкой: положение штока → положение ползунка → напряжение на выходе → масштабирование контроллером → координата в миллиметрах.
Поворотный потенциометр
Измеряет не линейное перемещение напрямую, а угол поворота. Его вал соединяют с ходовым винтом или другим валом механизма непосредственно, через шестерни, ременную передачу либо компактный редуктор.
Контроллер знает шаг ходового винта и передаточное отношение между винтом и потенциометром. Поэтому измеренное напряжение пересчитывается в линейное положение штока.
Характерный пример — прецизионный многооборотный потенциометр Bourns 3590. По техническому описанию его полный механический и электрический диапазон составляет 3600°, то есть 10 оборотов; независимая линейность заявлена на уровне ±0,25 %. При проектировании актуатора необходимо обеспечить, чтобы рабочий диапазон передачи не приводил потенциометр к механическому упору.
4. Сравнение линейного и поворотного потенциометра
Главное различие - Линейный потенциометр отвечает на вопрос «где находится шток?», а поворотный — «на сколько повернулся винт или связанный с ним вал?». При наличии люфта эти величины могут немного расходиться.
5. Области применения
Когда предпочтителен линейный потенциометр:
- требуется точное промежуточное позиционирование;
- важно измерять положение именно выходного штока;
- люфт редуктора или винтовой пары заметен и его нежелательно включать в ошибку измерения;
- ход небольшой или средний и внутри корпуса есть место для линейного датчика;
- актуатор работает как элемент регулирующего механизма.
Типичные применения: регулирующие клапаны и заслонки, позиционирование технологической оснастки, упаковочное оборудование, лабораторные установки, регулируемые механизмы производственных линий.
Когда предпочтителен поворотный многооборотный потенциометр:
- актуатор должен быть компактным и экономичным;
- ход большой, а устанавливать длинный линейный датчик невыгодно;
- редуктор имеет небольшой и стабильный люфт;
- в конструкции удобно снять вращение с винта или выходного вала редуктора;
- нужно унифицировать одну датчиковую систему для актуаторов с разными ходами.
Типичные применения: универсальные промышленные актуаторы, подъемные и регулировочные механизмы, вентиляционное оборудование, сельскохозяйственная техника, солнечные трекеры, механизмы открывания и длинноходовые приводы.
6. Как потенциометр влияет на цену актуатора
На стоимость влияет не только цена самого датчика. Для производителя актуатора важна суммарная себестоимость: датчик + механическая передача + крепления + электронная обработка сигнала + сборка + настройка и калибровка.
Для короткоходового актуатора разница между линейным и поворотным вариантом может быть небольшой. По мере увеличения хода линейный датчик становится длиннее и обычно дороже, тогда как размер многооборотного поворотного потенциометра практически не меняется. Поэтому в длинноходовых актуаторах поворотный вариант часто дает более выгодную конструкцию.
Однако экономия на датчике не должна ухудшать требуемую точность. Если задача требует измерять фактическую координату выходного звена с минимальным влиянием люфта, дополнительная стоимость линейного датчика может быть оправдана.
7. Практические рекомендации по выбору
Вывод
Потенциометрическая обратная связь — простой и экономичный способ превратить обычный электрический актуатор в позиционируемый привод. Оба рассмотренных типа дают абсолютную информацию о положении, но получают ее по-разному.
Линейный потенциометр непосредственно отслеживает перемещение штока и поэтому предпочтителен, когда важна фактическая координата выходного элемента и необходимо минимизировать влияние люфтов. Поворотный многооборотный потенциометр измеряет вращение винта или передачи; он компактнее, особенно удобен для большого хода и часто позволяет снизить стоимость актуатора