ДАТЧИК УГЛА ПОВОРОТА

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в устройствах для преобразования контролируемой величины - положения вращающегося объекта - в электрические сигналы, в частности, для определения углового положения подвижных конструктивных элементов грузоподъемных машин.
В настоящее время одним из направлений в измерительной технике является разработка бесконтактных датчиков угла поворота вращающихся объектов на основе угловых магнитных энкодеров. В грузоподъемной технике такие датчики используются для определения угла поворота платформы грузоподъемного крана, длины телескопической стрелы, линейных или угловых перемещений грузозахватного органа. Конструкция таких датчиков описана, в частности, в следующих патентных документах:
RU 47342 U1, B66C 23/64, 27.08.2005;
RU 83131 U1, G01B 7/30, 20.05.2009;
RU 94219 U1, B66C 13/46, 20.05.2010;
RU 94332, G01C 9/06, 20.05.2010;
RU 120635 U1, B66C 13/46, 27.09.2012;
RU 133522 U1, B66C 13/12, 20.10.2013.
Угловые магнитные энкодеры обеспечивают свободные от помех выходные сигналы, устойчивы к внешним воздействиям и могут работать в достаточно широком диапазоне температур, что вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к измерительным устройствам, используемым в грузоподъемной технике. К недостатку указанных датчиков следует отнести отсутствие контроля изменения положения оборудования при отключенном внешнем питании. Кроме того, конструкция этих датчиков приспособлена к конкретным узлам грузоподъемной машины, что усложняет замену датчика при выходе из строя магниточувствительной микросхемы-преобразователя магнитного энкодера или потере свойств постоянного магнита.
Известны также датчики угла поворота на основе угловых магнитных энкодеров, конструкция которых не приспособлена к конкретным узлам грузоподъемной машины, например, малогабаритный абсолютный датчик углового положения ЛИР-МА237 ОАО «СКБ ИС», Санкт-Петербург. Конструкция такого датчика описана в патенте RU 2377500, G01B 21/22, G01B 7/30, 27.12.2009.
Данный датчик, также как и другие известные заявителю серийно выпускаемые отечественными и зарубежными фирмами угловые магнитные энкодеры, обладает тем же недостатком, что и описанные выше - отсутствие контроля изменения положения оборудования при отключенном внешнем питании.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков является датчик угла поворота, содержащий преобразователь угловых перемещений в электрический информационный сигнал, выполненный в виде абсолютного углового магнитного энкодера на основе эффекта Холла, активатор с постоянным магнитом, установленный на валу магнитного энкодера, два геркона, установленные с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита в последовательности, обусловленной направлением вращения вала, реверсивный счетчик импульсов, блок определения направления счета, масштабирующий умножитель, сумматор, задатчик выходной характеристики, формирователь выходной характеристики, супервизор, коммутатор, питающую сеть и автономный источник питания (RU 62916 U1, B66C 13/18, G01B 7/00, 10.05.2007).
Данный датчик позволяет контролировать текущее положение оборудования грузоподъемной машины как при включенном, так и при отключенном внешнем питании, с формированием на выходе информационных и управляющих сигналов различных типов. Однако наличие герконов для подсчета количества оборотов приводит к снижению надежности датчика.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание датчика угла поворота, обладающего повышенной надежностью с сохранением пониженного энергопотребления при питании от автономного источника.
Дополнительные решаемые задачи и преимущества предлагаемой полезной модели будут понятны из последующего описания.
Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что датчик угла поворота, содержащий преобразователь угловых перемещений в электрический информационный сигнал, выполненный в виде абсолютного углового магнитного энкодера, питающую сеть, автономный источник питания, супервизор, первый вход которого подключен к питающей сети, и коммутатор, рабочие входы которого подключены к питающей сети и выходу автономного источника питания, согласно полезной модели снабжен микроконтроллером с запоминающим устройством и блоком операционных усилителей с низкоомными выходами, при этом магнитный энкодер выполнен на основе туннельного магниторезистивного эффекта, а микроконтроллер - с возможностью перехода в режим микропотребления при снижении значения напряжения питающей сети ниже допустимого значения, входы питания микроконтроллера, блока операционных усилителей и второй вход супервизора подключены к выходу коммутатора, а вход питания магнитного энкодера - к питающему выходу микроконтроллера, информационные выходы магнитного энкодера подключены к соответствующим входам блока операционных усилителей, информационные входы микроконтроллера подключены к низкоомным выходам блока операционных усилителей, управляющий вход - к сигнальному выходу супервизора, а выход - к линии связи датчика с регистрирующим прибором непосредственно или через согласующее устройство.
Достижению технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
Микроконтроллер выполнен с возможностью формирования импульсного питания магнитного энкодера.
Микроконтроллер выполнен с возможностью запоминания адреса датчика, присваиваемого с помощью внешнего устройства по линии связи с регистрирующим прибором
Микроконтроллер выполнен с возможностью установки выходного сигнала датчика в заданное значение при определенном фиксированном положении вала магнитного энкодера и с возможностью изменения направления отсчета относительно начала координат.
Микроконтроллер выполнен с возможностью формирования цифрового информационного сигнала для передачи в регистрирующий прибор как сигнал тревоги при снижении напряжения автономного источника питания ниже допустимого значения.
Датчик дополнительно снабжен элементами для защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода и импульсных помех по цепи питания и линии связи датчика с регистрирующим прибором.
Снабжение датчика угла поворота микроконтроллером с запоминающим устройством и блоком операционных усилителей с низкоомными выходами при выполнении магнитного энкодера на основе туннельного магниторезистивного эффекта, а микроконтроллера - с возможностью перехода в режим микропотребления при снижении значения напряжения питающей сети ниже допустимого значения, позволяет снизить электропотребление данного датчика за счет более высокого входного сопротивления микросхемы-преобразователя магнитного энкодера по питанию относительно магнитных энкодеров на основе датчиков Холла, что особенно важно при питании датчика от автономного источника. Это позволяет исключить из конструкции датчика герконы для подсчета количества оборотов вала магнитного энкодера и упростить тем самым конструкцию датчика с сохранением пониженного энергопотребления от автономного источника.
Выполнение микроконтроллера с возможностью формирования импульсного питания магнитного энкодера дополнительно снижает энергопотребление предлагаемого датчика при питании его от автономного источника.
Выполнение микроконтроллера с возможностью запоминания адреса датчика, присваиваемого с помощью внешнего устройства по линии связи с регистрирующим прибором, обеспечивает возможность использования предлагаемого датчика в составе различных систем управления, в том числе и в приборах безопасности грузоподъемности.
Выполнение микроконтроллера с возможностью установки выходного сигнала датчика в заданное значение при определенном фиксированном положении вала магнитного энкодера и с возможностью изменения направления отсчета датчика относительно начала координат позволяет упростить привязку датчика на грузоподъемной машине, так как нет необходимости в начальной ориентации положения магнита. Указанную привязку можно проводить программно путем принятия любого положение магнита за нулевое значение отсчета.
Выполнение микроконтроллера с возможностью формирования цифрового информационного сигнала для передачи в регистрирующий прибор как сигнал тревоги при снижении напряжения автономного источника питания ниже допустимого значения, позволяет провести техническое обслуживание датчика до выхода его из работоспособного состояния, что дополнительно повышает его надежность.
Снабжение датчика угла поворота элементами для защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода и импульсных помех по цепи питания и выхода предотвращает выход из строя электронных компонентов предлагаемого датчика, а также повышает надежность передачи данных к регистрирующему прибору.
Достигаемый технический результат выражается в повышении надежности датчика путем упрощения его конструкции с сохранением пониженного энергопотребления датчика при питании его от автономного источника.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого датчика угла поворота; на фиг. 2 - общий вид датчика.
Осуществление полезной модели
пит.
Датчик угла поворота содержит: преобразователь угловых перемещений в электрический информационный сигнал, выполненный в виде абсолютного углового магнитного энкодера 1 на основе туннельного магниторезистивного эффекта; микроконтроллер 2 с запоминающим устройством; блок 3 операционных усилителей с низкоомными выходами; согласующее устройство 4; коммутатор 5; супервизор 6; питающую сеть с напряжением U; и автономный источник питания 7.
Первый вход супервизора 6 и первый рабочий вход коммутатора 5 подключены к питающей сети. Второй рабочий вход коммутатора 5 подключен в выходу автономного источника питания 7. К выходу коммутатора 5 подключены: второй вход супервизора 6, вход питания блока 3 операционных усилителей и вход питания микроконтроллера 2, к питающему выходу которого подключен вход импульсного питания магнитного энкодера 8. Информационные выходы магнитного энкодера 8 подключены к соответствующим входам блока 3 операционных усилителей, низкоомные выходы которого соединены с информационными входами микроконтроллера 2. Управляющий вход микроконтроллера подключен к сигнальному выходу супервизора 6, а выход - к линии связи датчика с регистрирующим прибором через согласующее устройство 4.
Микроконтроллер 2 выполнен с возможностью:
перехода в режим микропотребления при снижении значения напряжения питающей сети ниже допустимого значения;
формирования импульсного питания магнитного энкодера;
запоминания адреса датчика, присваиваемого с помощью внешнего устройства по линии связи с регистрирующим прибором;
установки выходного сигнала датчика в заданное значение при определенном фиксированном положении вала магнитного энкодера и изменения направления отсчета относительно начала координат;
формирования цифрового информационного сигнала для передачи в регистрирующий прибор как сигнал тревоги при снижении напряжения автономного источника питания ниже допустимого значения.
Датчик может быть также снабжен элементами для защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода и импульсных помех по цепи питания и линии связи датчика с регистрирующим прибором.
Магнитный энкодер 1 включает в себя чувствительный элемент в виде интегральной микросхемы-преобразователя 8 и закрепленный на валу 9 магнитного энкодера с зазором относительно чувствительного элемента постоянный магнит 10, линии магнитной индукции которого параллельны плоскости микросхемы-преобразователя. Магнит 10 имеет цилиндрическую форму и диаметральную намагниченность.
Согласующее устройство 4 включает в себя в общем виде контроллер стандартного последовательного интерфейса, например, CAN, и приемопередатчик этого интерфейса для подключения к общему последовательному интерфейсному каналу. В случае, когда микроконтроллер 2 содержит в себе контроллер последовательного интерфейса, то согласующее устройство 4 может включать в себя только приемопередатчик последовательного интерфейса.
Коммутатор 5 выполнен на двух встречно направленных диодах 11 и 12, аноды которых соединены с рабочими входами коммутатора, а катоды соединены между собой и подключены к выходу коммутатора.
Датчик работает следующим образом.
При вращении вала 9 магнитного энкодера 1, соединенного, например, с валом оборудования грузоподъемной машины, микросхема-преобразователь 8, выполненная на основе туннельного магниторезистивного эффекта, считывает угловое положение постоянного магнита 10. На выходе микросхемы-преобразователя 8 формируются SIN и COS квадратурные сигналы от угла поворота магнита 10 относительно чувствительной оси датчика. Усиленные в блоке 3 сигналы поступают на входы микроконтроллера 2. Микроконтроллер 2 преобразует эти сигналы в код, несущий информацию об абсолютном угловом положении оборудования грузоподъемной машины. Дальнейшее преобразование базового сигнала позволяет получать выходные сигналы различного формата.
Промышленная применимость
Предлагаемый датчик может быть изготовлен промышленным способом на приборостроительном заводе с использованием современных электронных компонентов и технологий.
Микроконтроллер 2 может быть реализован на основе микросхемы MSP430F149 фирмы “Texas Instruments” (США), включающей в себя аналого-цифровой преобразователь для преобразования SIN и COS аналоговых сигналов в цифровые, а в качестве магниточувствительной микросхемы-преобразователя 8 магнитного энкодера 1 можно использовать микросхему-преобразователь MMA253F фирмы MultiDimension Technology Co., Ltd.
В качестве контроллера последовательного интерфейса можно использовать, например, микросхемы МСР2515 или микросхемы SJA1000, а в качестве приемопередатчиков последовательного интерфейса - микросхемы SN65HVD1040 или ISO1050DUB (в случае использования интерфейсной шины CAN). Кроме того, согласующее устройство 4 может быть выполнено на основе специализированной микросхемы TJA1050T.
Микроконтроллер 2 может быть также реализован на основе одной микросхемы, включающей устройство согласования с линией связи.
В качестве автономного источника питания 7 может быть использована, например, литиевая батарея SL-360/PT.