Использование потенциометра для замены абсолютного оптического энкодера

Все потенциометры имеют угол < 360°, потому что между концами дорожки сопротивления должен быть зазор. Вам понадобятся два горшка, соединенные на одном валу под углом 180 ° в противофазе.

Однако вы меня заинтересовали, и поиск по запросу «потенциометр датчика угла поворота на 360 градусов» выдал несколько интересных продуктов от Novatechnik. См. тип с вращающимся валом и AW360-ZE , где они, кажется, поняли это.

Рисунок 1. Выдержка из таблицы данных AW360-ZE.

Их «потенциометр» принимает опорный сигнал Uref и выдает на выходе постоянный ток, пропорциональный углу Uref x.

Они не вдаются в подробности того, как они работают, но вот мои мысли:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Рис. 2. (а) Возможный способ изготовления. Круговая дорожка сопротивления с соединениями под углами 0° и 180° будет давать на выходе треугольную волну при непрерывном вращении в одном направлении. Добавив 4-квадрантное опто-обнаружение, можно было бы выяснить, в каком квадранте находится стеклоочиститель, и использовать его в схеме Logik. (б) дает то, что может быть более надежным методом. Одновременно переключая SW1 и SW2, они могли использовать одно положение переключателя для получения фактического показания напряжения, а другое — для определения квадранта.

• Используя схему рис. 2b с переключателями и стеклоочистителем в показанном положении Vвых = V+/4. Это означает, что он находится в нижней половине горшка и находится под углом 135° от положения на 12 часов.
• Переключите переключатели, и Vout снова станет V+/4. Это означает, что он находится на 135° от положения «3 часа».
• Только одна точка удовлетворяет обоим условиям.

Начнем с разрешения поворотного энкодера. 13 бит, обеспечивает вращательное разрешение в 8192 угловых положения (не 8191 - второстепенный момент точно). Это означает, что энкодер при правильном использовании может разрешать 0,044 градуса поворота его вала. В более традиционных терминах угловых измерений это 2,6 угловых минуты углового смещения. («угловые минуты» - это термин, используемый для описания углового смещения, чтобы отличить его от единиц обычных «минут» времени.) На поверхности Земли нет потенциометра, который мог бы соответствовать, соответствовать или превышать это разрешение.

Лучшие потенциометры, доступные для этого типа приложений, называются «инструментальными потенциометрами» или «прецизионными потенциометрами». Они совершенно другого класса, чем те, которые мы покупаем у DigiKey и Mouser. Как правило, они изготавливаются на заказ и по спецификации. Их сейчас производится не так много из-за вторжения поворотных энкодеров в приложения, в которых традиционно использовались прецизионные потенциометры.

На самом деле были точные горшки на 360 градусов (и шире). Но они должны были работать только в одном направлении, а не в непрерывном вращении. Они использовали спиральную гусеницу с подпружиненным дворником. Этакий мини-многооборотный горшок с дробной секундной спиралью. Я отвлекся.

Горшки Precision были «прецизионными» по нескольким причинам. Во-первых, они использовали ножевидный (клиновидный) дворник, который обеспечивал высокое разрешение вдоль основного резистивного элемента. Во-вторых, резистивный элемент был очень мелкозернистым однородным материалом. Действительно, резистивные элементы пластикового типа были лучшими доступными к концу расцвета прецизионных потенциометров. В-третьих, элемент сопротивления был механически отшлифован до заданного уровня совершенства в приспособлении с замкнутым контуром. Это приспособление измеряло коэффициент резистивного деления между конечными точками элементов и точкой отбора ползунка для заданной точки углового смещения вокруг его дуги и автоматически стачивал часть элемента для достижения заданного соотношения в этой точке. Эта операция гарантировала линейностьгоршка. Чем больше баллов вы указали, тем дороже банк. (И они могли стоить несколько сотен долларов за штуку в 70-х и 80-х годах, когда я работал с ними.) Благодаря этому процессу шлифовки вы также могли указать нелинейные «конусы» различных контуров. В-четвертых, вся сборка была сделана с большой тщательностью и точностью - специальные подшипники для вала, механически обработанный (не штампованный и не литой) корпус, тщательно обработанный вал, полированная (не заточенная) кромка скребка, полная опора для резистивного элемента. , и т.д., и т.п... Опять отвлекся.

Ваши опасения:

ПОДХОД: Все неправильно. 16-битное или 13-битное разрешение АЦП ни на один «бит» не повлияет на разрешение присущей любому обычному (не приборному) потенциометру способности разрешать небольшие угловые различия. Обычные горшки просто не предназначены для обеспечения такого разрешения. Валы установлены очень свободно, поэтому имеется большой люфт и гистерезис по отношению к грязесъемнику и резистивному элементу. Да и сам элемент в этих горшках очень нелинейный. Вам понадобится приспособление для углового смещения, чтобы проверить ваш потенциальный потенциометр, чтобы увидеть, сможете ли вы достичь требуемого разрешения с вашими потенциометрами. Там приспособления можно приобрести у поставщиков инструментов для механических мастерских (даже Harbour Freight продавала их и, возможно, до сих пор продает).подключение к прецизионному цифровому вольтметру в режиме напряжения. Я сомневаюсь, что вы получите больше, чем 1 градус полезного разрешения. «Используемый» означает повторяемость при перемещении очистителя от определенного углового положения, а затем обратно после различных пробных перемещений в обоих направлениях (по часовой и против часовой стрелки).

ПЛАСТИКОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ. Да, это, вероятно, лучший путь. Типы с проволочной обмоткой имеют характерные зубцы из-за гребней проволоки.

ЛИНЕЙНОСТЬ - Линейность - это не разрешение! Кроме того, существует множество определений линейности и такое же количество способов применения приведенных спецификаций линейности. В Интернете можно найти множество прекрасных статей о различиях между разрешением, точностью и линейностью . Линейность, вероятно, важна в вашем приложении. Тем не менее, это совсем другой параметр, чем разрешение. Не говоря уже о том, что при определении линейности таких устройств, как потенциометры, используются всевозможные технические трюки.

ПОЛНЫЙ ВРАЩЕНИЕ НА 360. Это будет настоящим вызовом. Если для достижения этой характеристики вам необходимо механически изменить стандартный потенциометр, вам, вероятно, будет лучше, если вы направите свои усилия на модификацию доступного поворотного энкодера, чтобы он соответствовал вашему приложению.

Если вы выполните поиск на Ebay по запросу «Instrumentation Potentiometer», вы найдете несколько примеров того типа потенциометров, который я описал выше, смешанный со многими более обычными «регулировочными» потенциометрами. Тип приборов обычно производился небольшими компаниями с незнакомыми теперь названиями. Если вы решили использовать потенциометр, приобретите один из них.

Существуют потенциометры, предназначенные для такого применения. Однако вы не получите угол с точностью до 13 бит. Ни за что.

Эти типы горшков могут вращаться бесконечно и имеют два дворника. Элемент сопротивления не поворачивается на все 360°, как в обычной кастрюле. Глядя на сигнал обоих дворников с умной прошивкой, получается угловое положение.

Чистая линейность не очень хорошая. Вы можете исправить это до некоторой степени с помощью калибровки под несколькими известными углами. Однако вы не получите хороший результат для 13 бит. Неповторяемость контакта дворников и механический люфт, вероятно, в любом случае предотвратят это, но нелинейность, безусловно, захлестнет их. Это также изменится с износом.

Эти виды потенциометров полезны для таких вещей, как дешевый пользовательский ввод, который нужно вращать бесконечно, а не для точных угловых измерений.

Вы не рассказали нам о своей конкретной задаче, поэтому мы не можем знать, подходит ли она вам. Вы можете потратить уйму времени на то, что вы считаете слепой зоной, и вы можете найти программное решение. Вы говорите, что ваш энкодер был однооборотный, поэтому я подозреваю, что вы можете поместить слепую зону горшка в область, куда энкодер не мог добраться без проблем.

Больше всего меня беспокоит жизнь. Горшки хороши только для определенного количества вращений. Оптические энкодеры часто бывают бесконтактными и имеют очень долгий срок службы. Сделайте хорошо и убедитесь, что ваш горшок имеет достаточно долгий срок службы. Если вы не можете найти пожизненный рейтинг, найдите другой горшок.

Если вы знаете ожидаемый срок службы, вам, вероятно, будет все равно на материал. У горшков с проволочной обмоткой будут крошечные плоские пятна, но, вероятно, они будут достаточно линейными для вашего использования (чего я не знаю).

минимум, который я нашел, составляет 0,15% для горшка с проволочной обмоткой (я не знаю, насколько погрешность в градусах повлияет на мой результат)

Линейность (+/-) 0,15% означает, что если бы угол скребка был точно равен (скажем) 50% механического хода (скажем, 180 градусов для идеального, но невозможного однооборотного потенциометра), значение делителя электрического потенциала равно t ровно 0,500000000, но может варьироваться в обе стороны до 0,0015, в результате чего реальный диапазон ошибки при 50% перемещении находится в диапазоне от 0,4985 до 0,5015.

По моим подсчетам, 0,4985 соответствует 179,46 градусам или погрешности около 0,5 градуса.

Как я читал, токопроводящий пластик лучше всего подходит для такого применения. верно ?

Я считаю, что это правильно.