Codificador rotatorio: fuente de alimentación para barreras de luz de horquilla pequeñas con NI 9401 [cerrado]

Tarea

Para medir el ángulo y calcular la velocidad angular y la aceleración de una gran rueda de metal con una frecuencia de rotación F = 0.01 … 1.00   H z , trato de construir un codificador rotatorio personalizado ubicado en el eje de la rueda.
Los conceptos básicos de esta tarea se describen en este Tutorial de National Instruments #7109 . Para ser exactos, quiero tener tres discos metálicos giratorios (Canal de datos A, Canal de datos B, Canal de referencia Z) con un radio de r D i s C = 114.592   metro metro , es decir, con una circunferencia de tu D i s C = 720   metro metro .
Para una precisión de 1°, planeo cortar 4   metro metro ranuras en el exterior de los discos: 90 ranuras para cada uno de los discos A y B y 4 ranuras en el disco Z (referencias de 0°, 89°, 182°, 271°). A continuación, las ranuras deben detectarse con sensores de barrera de luz de horquilla.

Ya tengo las siguientes partes de National Instruments, que me gustaría usar para esta tarea:

  • Controlador NI cRIO-9074 o Chasis Compacto NI cDAQ-9171
  • Módulo de Entrada/Salida Digital 5V/TTL Bidireccional NI 9401
    • Voltajes de entrada
      2.00   V ≤ V I norte , H i gramo h ≤ 5.25   V
      0.00   V ≤ V I norte , L o w ≤ 0.80   V
    • Voltajes de salida
      • Alta salida
        de abastecimiento 100   m A : V O tu t , H i gramo h ≥ 4.7   V
        Abastecimiento 2   metro A : V O tu t , H i gramo h ≥ 4.3   V
      • Bajo
        hundimiento de salida 100   m A : V O tu t , L o w ≤ 0.1   V
        Hundimiento 2   metro A : V O tu t , L o w ≤ 0.4   V

Preguntas

Ahora la pregunta es qué sensores de barrera de luz puedo usar. La primera idea es una Panasonic PM-T54 (transistor de colector abierto NPN, hojas de datos aquí y aquí ) o una PM-T54P (transistor de colector abierto PNP, hojas de datos aquí y aquí ).
Cada uno de ellos requiere una tensión de alimentación de 5   V   D C … 24   V   D C ± 10 %

  • ¿Puedo usar tanto el tipo NPN como el tipo PNP o uno de esos sería más adecuado para el NI 9401?
    Si lo entiendo correctamente, el tipo PNP necesita una entrada de sumidero (es decir, salida de sumidero en el NI 9401) con una conexión a tierra a la carga, mientras que el tipo NPN necesita una entrada de fuente (es decir, salida de fuente del NI 9401) con una fuente de tensión a la carga.
  • ¿El NI 9401 proporciona suficiente corriente?
    En las hojas de datos de los sensores, un consumo máximo de corriente de 50   metro A (diagrama de circuito en la primera hoja de datos o página 6 en la segunda hoja de datos) o 15   metro A (página 5 en la segunda hoja de datos) se indica.
    ( Pregunta complementaria: ¿Cuál es la diferencia entre el consumo máximo de corriente y la corriente máxima de sumidero/fuente en la página 5 de la segunda hoja de datos? )
    Sin embargo, parece que el NI 9401 solo es capaz de proporcionar un máximo de 2   metro A . ¿Es esto correcto? ¿Significa esto que necesito una fuente de alimentación diferente para los sensores, pero que puedo mantener el NI 9401 como módulo de entrada?
En primer lugar, el ancho y el espacio de la ranura deben ser de 4 mm, no de dos. Tenga en cuenta que no necesita tener 2 discos de canal de datos. Solo necesita uno, con dos detectores cuya fase relativa esté compensada en 90 grados. Sin embargo, tenga en cuenta que, independientemente de cómo lo haga, deberá tener mucho cuidado al mecanizar sus ranuras para evitar errores acumulativos a medida que realiza ranuras sucesivas.
Con todo el dinero que ya está gastando en ese sofisticado hardware de NI, ¿por qué no compra una unidad de codificador rotatorio lista para usar? Las unidades a precios razonables están disponibles como aquí: usdigital.com/products/encoders/incremental/rotary/shaft/H1 . Simplemente tome la unidad y acóplela a la rueda de manera similar a lo que está tratando de construir.
@MichaelKaras El hardware de NI ya se compró y usó durante un par de años, así que solo tengo que comprar los sensores. Las unidades de codificador rotatorio no encajarán debido a algunas limitaciones, solo tienes que creerme en este caso. Por lo tanto, un simple codificador de bricolaje.
@ user5564832 - Si es tan simple, ¿por qué la sobrecarga masiva de preguntas aquí?
VTC: este sitio no es una configuración de servicio de consultoría para realizar trabajos de selección y diseño de componentes para usted.
Las ruedas del mouse funcionan de manera similar, lo que a veces puede obstruirlas con polvo en las ranuras, lo que afecta el rendimiento. Considere todas las fuentes de error para su codificador rotatorio de bloqueo de luz de cuadratura de bricolaje, incluida la luz parásita del emisor. Hay muchas fuentes de error por no considerar todas las variables y suposiciones pasadas por alto en el diseño. Aparte de esto, es simple, pero solo después de que lo pruebes perfectamente.
@MichaelKaras La configuración en sí es, en mi opinión, simple: un disco y un sensor de luz. Mucho más simple que intentar conectar un codificador rotatorio listo para usar a una rueda enorme, créanme. No dije que el proceso de diseño y conexión fuera fácil. Además, se supone que mi pregunta es si leí correctamente las hojas de datos del sensor y de la tarjeta de entrada con respecto a los voltajes y las corrientes. Todo lo demás es solo información de fondo.

Respuestas (1)

El hundimiento de 2 mA 0,4 V como máximo significa que la resistencia de la fuente es de 0,4 V/2 mA = 200 ohmios, lo que puede entregar 15 mA con una resistencia limitadora de corriente de serie pequeña. Si usa LED IR con una caída de 1,2 V desde 5 V, entonces una resistencia en serie total de 3,8 V/15 mA = 250 ohmios. Si el controlador es de 200 ohmios y el LED es de unos 10 ohmios, se necesita una serie R de unos 40 ohmios. Si se usa un LED ROJO con una caída de 2 V y una resistencia interna de aproximadamente 15 ohmios y desea Iol = 15 mA, entonces 5 V-2 V = 3 V, luego 3 V/15 mA = 200 ohmios, igual que la unidad CMOS en el estado "0" y el controlador CMOS tire hacia abajo del cátodo directamente haciendo que Vol suba a 3V con el ánodo en 5V. Tenga en cuenta que ya no se trata de niveles lógicos TTL, pero dado que no estamos conectando el controlador LED a otra lógica, está bien.

Los niveles de corriente, el ancho de la ranura, la eficacia del emisor y la sensibilidad del detector afectan el fotovoltaje recibido, de modo que la condición de bloqueo debe atenuar la luz lo suficiente para crear un nivel lógico válido con un margen igual a la señal transmitida que satura el detector. Esta es una característica de diseño sutil de la detección de luz apagada que usa histéresis en el detector. La ruta óptica del emisor debe bloquearse con cuidado para reducir el ángulo y permitir que la luz se bloquee entre las ranuras cuando estén alineadas y con un espacio aproximadamente igual al ancho del bloque. Aquí es donde el cuidado en la relación señal óptica/ruido es crítico. La señal es luz transmitida y el ruido es luz parásita que se filtra a través de las ranuras adyacentes. Entonces, tanto el emisor como el detector necesitan aberturas de las mismas dimensiones que las ranuras.

Esta se convierte en la prueba crítica de su diseño electro-óptico: cuánto margen tiene para detectar los niveles de la rueda del codificador de paso/bloqueo para permitir un 30% de envejecimiento del emisor y todas las demás fuentes de envejecimiento (bloqueo de polvo, variación de suministro, etc.). se trata del límite de usar el CMOS como controlador actual. También hay otros métodos que usan transistores.

La posición de los 2 detectores proporciona una alineación en cuadratura de 90 grados y los bordes de detección controlados por la trayectoria óptica, la sensibilidad, el % de histéresis y "cualquier fuente de luz parásita". Normalmente, IR es mejor con filtros que bloquean la luz del día en el detector o en codificadores cerrados, RED se usa ya que es unos centavos "más barato" pero no mejor, pero quizás más fácil de ver la luz dispersa la primera vez.

Puede crear cualquier tamaño de apertura mediante un tamaño de orificio controlado y la profundidad de la superficie del emisor LED en relación con el orificio. Lo mejor es utilizar emisores de ángulo pequeño de alta ganancia óptica y detectores de ángulo moderado, pero no demasiado pequeños para que la alineación se vuelva crítica. Un LED de 15 grados está bien o tal vez de 30 grados, pero la señal se pierde con el ancho del haz y 8 grados "pueden ser" demasiado pequeños y sensibles a la alineación. Por lo tanto, considere la pérdida de trayectoria en el emisor, la apertura, la ranura, la apertura del detector y el detector para elegir los niveles de activación/desactivación del margen más alto equilibrado. Considere todos los factores de alineación antes de colocar cuidadosamente el emisor y el detector para un rendimiento óptimo. (Vea cómo lo hacen los profesionales y tome medidas)

Obviamente, un emisor láser brinda la mejor precisión pero también tiene la tasa de envejecimiento más alta para la intensidad, por lo que algún método para regular los niveles de emisión con un sensor de PD reflectante interno y el aumento de temperatura más bajo en el diodo láser para lograr la vida útil más larga posible en, aunque a un costo mayor para aplicaciones de codificador de ultra alta resolución o espacio largo. Así es como espero que funcionen algunos codificadores detectores de "horquilla" comerciales, que obviamente cuestan mucho más que una rueda de mouse, pero luego se espera que sean mucho mejores.

Esto recuerda un artículo que escribí sobre cómo diseñar un "flop flop" más confiable en una válvula de mariposa de agua del inodoro o "cómo diseñar una mejor trampa para ratones" con la misma atención a la Ley de Murphy.

ps 200 Ohm CMOS es característico de la lógica CMOS de alto voltaje que puede operar > 5V La lógica CMOS limitada de bajo voltaje tiene una resistencia de salida de 50 y 25 ohms respectivamente para tipos de 5V max y 3.3V max. (típicamente verifique con Vol/Iol) También es posible usar detectores de emisores IR IRDA2 de hasta 1 metro de separación con agujeros de 5 mm y partes empotradas para dar un camino de 5 mm para aplicaciones de bloqueo de horquillas. Hice esto y pude detectar un cable de resistencia que atenúa la ruta IR en un lapso de 1 metro usando patrones de luz pulsada como datos y detectando errores de datos
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