Инкрементальный энкодер принцип работы

Инкрементальный энкодер: характеристики и принцип работы

Энкодер – это инструмент, который позволяет определить перемещение объекта при помощи преобразования линейного или углового перемещения в последовательность сигналов. Выделяются два основных вида энкодеров – угловые и линейные. Угловой, или поворотный энкодер (по-другому – датчик угла поворота) – это оборудование, которое преобразует угол поворота вращающегося вала в электрические импульсы, которые и определяют этот угол. Угловые датчики перемещения нашли наиболее широкое применение в автоматике, например, в сервоприводах.

Также энкодеры разделяются на два типа – абсолютные и инкрементальные датчики перемещения. В этой статье мы подробно рассмотрим характеристики инкрементального энкодера.

Итак, инкрементальный энкодер – это прибор, который выдает импульсы, означающие изменение его положения. Инкрементальный датчик перемещения за один свой оборот выдает определенное число сигналов, в то время как абсолютный датчик перемещения позволяет знать текущий угол поворота в любой момент времени даже после пропадания электропитания. Многооборотные энкодеры также могут «запоминать» количество полных оборотов оси вращения.

Существуют также такие разновидности энкодеров, как резисторные, магнитные, оптические. Энкодеры могут работать через производственную сеть или шинные интерфейсы.

Инкрементальные датчики перемещений преобразуют информацию об угле поворота объекта в последовательный цифровой код. При остановке вала останавливается и передача сигналов датчика. Величина угла поворота объекта определяется посредством подсчета количества сигналов от начала. Для того, чтобы узнать угловую скорость объекта, процессор в тахометре производит дифференцирование количества сигналов во времени, показывая этим величину скорости – количество оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, где одинаковые последовательности импульсов сдвинуты на 90 градусов относительно друг друга, позволяя тем самым определить направление вращения. Также есть цифровой выход нулевой отметки для расчета абсолютного положения вала. По описанному принципу построена работа инкрементального энкодера.

В каталоге нашего сайта можно ознакомиться с описанием продукции, где также представлены магнитный энкодер, линейный энкодер, энкодер оптический, цена на который является выгодным предложением на рынке. Для заказа продукции или консультации по стоимости необходимо заполнить простую форму онлайн-заявки внизу страницы.

Энкодеры — датчики угла поворота

Позиционирование в различных видах промышленного оборудования обеспечивается с использованием простых с виду устройств — энкодеров (или, по-другому, датчиков угла поворота).

Энкодеры используются для преобразования линейного или вращательного движения в двоичный цифровой сигнал. Энкодер представляет собой устройство, вал которого соединяется с вращающимся валом исследуемого объекта, и обеспечивает электронный контроль угла поворота последнего. По принципу действия энкодеры подразделяются на оптические и магнитные.

На валу оптического энкодера установлен диск с окнами прерывания по периметру, напротив которых размещены светодиод и фототранзистор, обеспечивающие формирование выходного сигнала в виде последовательности прямоугольных импульсов с частотой, пропорциональной как количеству окон прерывания, так и скорости вращения диска/вала. Количество импульсов отображает угол поворота.

Оптические энкодеры выпускаются в виде инкрементальных и абсолютных датчиков.

Инкрементальные энкодеры имеют диск прерывания с множеством окон одинакового размера на основном радиусе и две считывающих оптопары, что позволяет фиксировать как угол поворота, так и направление вращения вала. На вспомогательном радиусе диска размещено единственное окно прерывания и соответствующая оптопара, определяющие исходное положение (начало отсчета).

Отрицательный момент — инкрементальные энкодеры выдают относительный отсчет угла поворота, информация о котором не сохраняется при остановке вращения. К их преимуществам следует отнести простоту конструкции (и, соответственно, невысокую стоимость) при высоком разрешении и высокой рабочей частоте.

Инкрементальные энкодеры повышенной стойкости ориентированы на индустриальное применение — в машиностроении, прокатных станах, судостроении, текстильной, обувной промышленности, в деревообработке. Для таких энкодеров определяющими являются параметры — разрешение по углу поворота, способность работать на высоких частотах, высокая степень защиты, чтобы противостоять условиям неблагоприятной среды.

Диск с линиями или прорезями, которые прерывают луч света на оптический датчик. Электронная схема подсчитывает прерывания луча и генерирует цифровые выходные импульсы энкодера.

Кодирующий диск — устройство для преобразования в цифровую форму величин угловых перемещений вала. На кодирующий диск наносится геометрическое изображение цифрового кода. Знаки разрядов кода наносятся на концентрической дорожки, причем ближе к периферии располагаются младшие (менее значащие) разряды.

В зависимости от способа съема кода (контактного, фотоэлектрического, электромагнитного, индукционного, электростатического и т. п.) геометрическое изображение кода составляется из участков электропроводящих и электроизолированных, прозрачных и непрозрачных, магнитных и немагнитных и т. п.

Преимущественно распространение получили кодирующие диски с разновидностями двоичного кода, исключающими возникновение ошибок при переходе через границы отдельных дискретных участков, когда некоторые разряды могут считываться по одну сторону границы, а некоторые — по другую (из-за неточной установки съемных устройств или из-за неодновременном считывания кода в процессе вращения диска. К числу таких кодов относятся т. н. фау-код (код Баркера) и рефлексный код (код Грея).

В некоторых оптических поворотных энкодерах используется отражательный кодирующий диск. На этом диске чередуются секции, которые поглощают свет или отражают его, а источник света вместе с приемником располагаются с одной стороны диска. При наличии только одного источника и приемника света последовательность импульсов от датчика позволяет выяснить, на сколько шагов повернулся диск относительно своего предыдущего положения.

Одиночный датчик не может указывать направление вращения, но если добавить вторую пару «источник приемник», отстоящую по фазе на 90 о от первой, то микроконтроллер по разности фаз между последовательностями импульсов сможет определить направление вращения диска.

Следует помнить, что любая система, которая определяет относительное вращение диска, но не может измерить его абсолютное угловое положение, является инкрементным датчиком.

Абсолютный энкодер имеет диск прерывания с концентрическими окнами на разных радиусах, относительные размеры которых определяются двоичным кодом, и которые считываются одновременно, давая кодированный выходной сигнал для каждой угловой позиции (код Грея, бинарный код. ).

В данном случае имеется возможность получать данные о мгновенном положении вала без цифрового счетчика или возврата к исходному положению, так как на выходе имеется кодированное слово — «n bit», защищенное от электрических шумов.

Абсолютные энкодеры используются в приложениях, требующих обязательного сохранения поступающих данных в течение продолжительного времени, при этом они сложнее по конструкции и являются более дорогостоящими.

Абсолютные энкодеры с интерфейсом полевой шины имеют выходной интерфейс связи с полевой шиной по стандарту CANopen, ProfiBus, DeviceNet, Ethernet, InterBus и используют бинарный код при определении угла поворота. Вышеуказанные интерфейсы связи программируются по ряду параметров: например, направление вращения, разрешение по импульсам на один оборот, скорость передачи данных.

Энкодеры, установленные на валу электродвигателя , эффективно обеспечивают управление точным позиционированием. Такие энкодеры обычно изготавливаются в варианте «отверстие» и важными элементами их конструкции являются специальные муфты, позволяющие компенсировать люфты вала двигателя.

Позиционирование в вышеуказанных условиях наиболее эффективно обеспечивает магнитный энкодер , в котором преобразование углового перемещения вала в электронный сигнал реализуется бесконтактно на основе эффекта Холла, не связано с вращением оптического прерывателя внутри датчика, и допускает обработку сигналов на скоростях до 60000 об/мин.

В магнитном энкодере высокоскоростное вращение внешнего вала, на котором закреплен цилиндрический постоянный магнит, воспринимается датчиком Холла, совмещенным на одном полупроводниковом кристалле с контроллером обработки сигналов.

При вращении полюсов постоянного магнита над микросхемой с датчиком Холла переменный вектор магнитной индукции наводит напряжение Холла, содержащее информацию о мгновенном значении угла поворота вала. Микроконтроллер обеспечивает быстрое преобразование напряжения Холла в параметр угла позиционирования.

Возможность такого преобразования без непосредственного механического соединения элементов магнита и датчика Холла является основным преимуществом магнитных энкодеров, обеспечивает им высокую надежность и долговечность, и позволяет эффективно работать в высокоскоростных приложениях, связанных с промышленной автоматизацией, полиграфией, металлообработкой, инструментально-измерительным оборудованием.

Читать еще: Наружное освещение загородного дома: 5 самых частых ошибок

Принцип работы инкрементного энкодера

Импульсный (пошаговый) энкодер относится к типу энкодеров, которые предназначены для указания направления движения и/или углового перемещения внешнего механизма. Пошаговый энкодер периодически формирует импульсы, соответствующие углу вращения вала. Этот тип энкодеров, в отличие от абсолютных, не формирует выходные импульсы, когда его вал находится в покое. Пошаговый энкодер связан со счетным устройством, это необходимо для подсчета импульсов и преобразования их в меру перемещения вала.

Пошаговый оптический энкодер состоит из следующих компонентов: источника света, диска с метками, фототранзисторной сборки и схемы обработки сигнала. Диск пошагового энкодера подразделен на точно позиционированные отметки. Количество отметок определяет количество импульсов за один оборот. К примеру, если диск поделен на 1000 меток, тогда за 250 импульсов вал должен повернуться на 90 градусов.

Диск с метками инкрементного энкодера

Пошаговый энкодер может быть классифицирован в однофазный тип (только канал выход), который может быть использован, чтобы считать сумму импульсов или определять ускорение. Рассматривая интервал между импульсами и квадратурой энкодера (каналов A и выход B), можно также определить направление вращения вала (по-, или против часовой стрелки). Тип энкодера с нулевым индексом выхода (канал N) выдает импульс нулевой отметки за один оборот, чтобы корректировать ошибки в пределах каждого оборота. Более высокое разрешение (в два или в четыре) получается подсчетом как переднего, так и заднего края меток. Канал A и B генерирует импульсы с фазами, смещенными относительно друг друга на 90 градусов.

Квадратура выхода (выходы А и В)

Для квадратуры выхода энкодера используются два выходных канала, для того чтобы определить — вращается вал по часовой стрелке или против часовой стрелки, основанное на сдвиге фазы 90°±0° , допуск ±45° — приемлемый для спецификации сдвига фазы. Энкодер с единственным выходом (A) более известен как тахометр.

Максимальная частота ответа

Максимальная частота ответа является частотой, при которой вращающийся энкодер может дать электрический ответ. Такая частота имеет отношение к количеству выходных импульсов, на которые энкодер реагирует в секунду. Следовательно, энкодер пошагового типа должен удовлетворить следующее отношение: (rpm/60) x (разрешение) ≤ максимальной частоты ответа.

Указатель нулевой отметки (канал Z)

В энкодере, имеющем этот канал, импульс появляется на выходе в каждом обороте вала. Функция показателя нуля может использоваться для сброса внешне связанного счетчика или для регистрации начальной (нулевой) позиции.

Разрешение — это количество выходных импульсов за вращение вала.

Соединительный вал

Для механического соединения вала датчика с внешним механизмом следует использовать специальный соединитель (сцепление) гибкого типа, который предназначен для компенсации возможного биения валов, как в радиальном, так и в осевом направлении. Это позволяет резко снизить вероятность преждевременного износа подшипников вала датчика. Уже незначительный, возникший в осевом направлении вала, люфт может привести к полному электрическому отказу энкодера. Это связано с тем, что для достижения высокого разрешения, оптический диск и считывающая матрица располагаются в непосредственной близости друг от друга и минимальное осевое биение вала может привести к их механическому контакту, что в последствии приведет к разрушению нанесенных на диск меток.

Инкрементальные или абсолютные датчики положения

Большинство инженеров по-прежнему используют инкрементальные датчики положения, поскольку считают абсолютные слишком дорогими. Но за последние годы рынок изменился. В данной статье приведен современный обзор относительных преимуществ каждого из датчиков.

Далеко не все понимают разницу между инкрементальными и абсолютными методами измерения. Многим инженерам никогда не приходилось сталкиваться с этой терминологией. Производители датчиков сами добавляют путаницы, называя свои устройства абсолютными датчиками, которые на самом деле являются инкрементальными.

Поэтому для начала не лишним будет сформулировать определения. Во-первых, общий термин «датчик» мы будем применять к энкодерам, преобразователям и детекторам. Отличительной особенностью инкрементального датчика положения является то, что он сообщает о пошаговом изменении положения. Другими словами, после того, как на датчик подается питание, он не сможет сообщить о положении до тех пор, пока ему не укажут точку отсчета.

Абсолютный датчик положения выдает однозначную информацию о своем положении в каком-либо масштабе или в пределах какого-то диапазона. Иными словами, когда на датчик подается питание, он сообщает о своем положении даже без указания точки отсчета. Что происходит при подаче питания? Ответ на это вопрос зависит от типа датчика. Если датчику нужна калибровка — это инкрементальный датчик, если не нужна — абсолютный.

Некоторые производители заявляют, что их датчики выполняют абсолютные измерения, поскольку аккумуляторная батарея позволяет хранить информацию о положении инкрементального датчика при потере питания. Хорошо, но, что произойдет, когда батарея разрядится? Аналогичным образом, другие производители заявляют, что их датчики выполняют абсолютные измерения, когда инкрементальному датчику нужно совсем немного переместиться при включенном питании, чтобы получить точку отсчета. В любом случае это — инкрементальные датчики, хотя на рынке они заявлены как абсолютные датчики по соответствующим ценам.

Потенциометры

Потенциометры по-прежнему являются наиболее распространенным типом датчиков положения, но за последние 25 лет значительно расширилось использование бесконтактных датчиков. Предпочтение бесконтактного оборудования связано с проблемами износа и надежности потенциометров, особенно в неблагоприятных условиях эксплуатации (в частности, связанных с вибрациями) или при длительных сроках службы. Почти все потенциометры — абсолютные, но обычной бесконтактный датчик конструктивно представляет собой оптический датчик положения.

Oптические энкодеры

Принцип работы оптических энкодеров основан на использовании луча света, направленного сквозь или на специальную решетку, и вычислении положения на основе интенсивности отраженного света. Большинство оптических устройств являются инкрементальными. Как правило, расположение определяется с помощью серии импульсов, обычно со сдвигом фаз на 90°, что позволяет определять направление движения. Эти импульсы называют импульсами A/B. Отдельная последовательность импульсов (опорная точка Z) генерирует один импульс на оборот, который можно использовать в качестве контрольной отметки.

Рис. 1. Схема инкрементального оптического датчика с опорным импульсом

Рис. 2. Схема 10-битного абсолютного датчика с цифровым выходом

Сейчас продается примерно в три раза больше инкрементальных датчиков, чем абсолютных. Основная причина в том, что инкрементальные датчики, как правило, дешевле абсолютных, при сравнимых характеристиках.

Но абсолютные датчики сегодня уже не такие дорогие, как многие полагают. Переход к (бесконтактным) абсолютным измерениям положения может существенно улучшить производительность, повысить точность и снизить общие расходы. Это связано с тем, что с инкрементальными датчиками связан ряд практических проблем. Самая очевидная заключается в том, что при каждом отключении питания датчику требуется калибровка — это замедляет производительность системы, а также, в случае неожиданного отключения, может привести к нарушениям безопасности.

Во-вторых, положение определяется с помощью контрольной отметки. В некоторых случаях, особенно при изменении напряжения или быстрых изменениях положения, могут произойти нарушения в процессе отсчета. Это может существенным образом нарушить производственный процесс и, если не устранить проблему вовремя, привести к рассинхронизации производственных операций. Большинство инкрементальных датчиков являются оптическими, а для получения данных высокого разрешения элементы оптической решетки должны быть очень маленькими, иногда размером всего в несколько микронов в поперечнике. Хотя такие мелкие элементы и повышают чувствительность, они становятся очень хрупкими и уязвимыми к внешним факторам. Влага, жир и грязь могут остановить работу или, что еще хуже, нарушить точность показаний оптического прибора.

В последнее время разница в цене между абсолютными и инкрементальными датчиками сокращается, частично из-за повышенного распространения абсолютных датчиков, но главное — из-за внедрения новых технологий на основе абсолютных датчиков. Конечно, большинство инженеров по-прежнему предпочитают оптические датчики, но индукционные устройства нового поколения позволяют создавать точные абсолютные датчики положения, устойчивые к неблагоприятным условиям эксплуатации.

Читать еще: Динистор принцип работы

Вместо решетки и оптического датчика в этих индуктивных устройствах используются плоские печатные катушки индуктивности, основные принципы работы которых аналогичны принципам работы трансформаторов или резольверов. Фундаментальная физика позволяет создавать компактные и легкие абсолютные датчики высокого разрешения, которые не зависят от оптических характеристик источника света. Помимо того, что такие датчики являются абсолютными по своей сути, они имеют и другие преимущества перед оптическими датчиками. Во-первых, они не подвержены влиянию внешних факторов, например грязи и влажности. Во-вторых, на их измерительные способности, как правило, не влияют смещения или недостаточно точная установка. Это означает, что таким датчикам не нужны сверхточные корпусы или подшипниковые узлы и их можно просто крепить к частям механизмов, например двигателю или корпусу редуктора. В свою очередь, это приводит к существенным упрощениям, уменьшению размера и веса деталей соседних механических конструкций за счет устранения подшипников, валов, муфт и уплотнений. Более того, такие индуктивные устройства нового поколения могут иметь широкое проходное отверстие, через которое можно пропустить вал, кабели или контактные кольца основного оборудования. Для инженеров-конструкторов этот новый подход означает, что они могут обеспечить точность абсолютного измерения примерно по цене, по которой это возможно для инкрементальных датчиков.

Основы АСУ ТП и КИП — в статьях Ua.Automation.com

Инкрементальный или абсолютный датчик положения?

Даррен Крейт (Darran Kreit), Zettlex, для Automation.com

Большинство инженеров при решении задач определения положения по-прежнему используют инкрементальные датчики положения. Отчасти это происходит из-за преобладающего убеждения в том, что абсолютные датчики положения слишком сложны и дорогостоящи. В данной статье описываются оба подхода и относительные преимущества каждого из них.

Понимание разницы между инкрементальными и абсолютными техниками измерения, порой, оказывается нетривиальной задачей. Помимо необходимости разбираться в терминологии, связанной с определением положения, инженерам приходится иметь дело с порой противоречивыми заявлениями от производителей, которые, нет-нет, да и заявят, что тот или иной продукт является абсолютным датчиком положения – хотя, на самом деле, он инкрементальный.

В этой статье мы используем термин «датчик» как собирательный для энкодеров, преобразователей и детекторов.

Определения: инкрементальный и абсолютный

Основной особенностью инкрементального датчика положения является то, что он сообщает о величине изменения положения. Другими словами, после того, как на датчик подается питание, он не сможет сообщить о положении до тех пор, пока ему не дадут точку отсчета.

Абсолютный датчик положения генерирует однозначную информацию о своем положении, с помощью специальной шкалы. Когда на датчик подается питание, он сообщит о своем положении, и ему для этого не нужна точка отсчета. «Что произойдет при подаче напряжения?» — ответ на это вопрос является хорошим тестом для различения двух типов датчиков. Если датчику нужна какая-то калибровка – это инкрементальный датчик. Если нет – это абсолютный датчик.

Некоторые производители датчиков заявляют об «абсолютном» функционале своих продуктов, на том основании, что аккумуляторная батарея позволяет хранить информацию о положении, когда питание инкрементального датчика отключается или пропадает. Но, что произойдет, когда батарея будет разряжена?

Другие производители заявляют об «абсолютном» функционале своих инкрементальных датчиков, потому, что им надо совсем немного энергии, для того, чтобы получить точку отсчета. Все равно, это – инкрементальные датчики, хотя их и продают как абсолютные – с соответствующими ценами.

Потенциометры: проблемы износа и надежности

Хотя основанные на потенциометрах датчики положения все еще являются самым обыкновенным их типом, за последние 30 лет значительное распространение получили бесконтактные датчики. Этот тренд порожден проблемами, связанными с износом и надежностью потенциометров – особенно в жестких условиях (прежде всего связанных с вибрацией) или при долгих сроках службы.

Почти все потенциометры являются абсолютными, однако обычной формой бесконтактных датчиков являются оптические энкодеры. Их принцип работы основан на использовании луча света, направленного сквозь или на специальную решетку. Положение вычисляется исходя из интенсивности отраженного или преломленного света. Большинство оптических устройств являются инкрементальными. Положение определяется с помощью серии так называемых А/В импульсов. Также есть канал Z, дающий один импульс на оборот, в качестве референса.

Абсолютные оптические устройства схожи, но используют другой тип шкалы, где абсолютная позиция определяется при подключении питания – без необходимости в точке отсчета. Как правило, у этих датчиков цифровой выход, и разрешение определяется количеством битов в выходном сигнале. 10-битные устройства могут предоставить 1024 отсчета, 11-битные – 2048 отсчетов и т.д.

Сейчас продается в три раза больше инкрементальных датчиков, чем абсолютных. Основная причина – инкрементальные датчики, как правило, дешевле абсолютных, при сравнимых характеристиках.

Однако, сегодня абсолютные датчики не так дороги, как многие продолжают считать. Переход к (бесконтактным) абсолютным изменениям положения может существенно улучшить производительность, повысить точность и снизить общие расходы. Это связано с тем, что с инкрементальными датчиками связан ряд технических проблем.

Самая очевидная заключается в том, что каждый раз при отключении питания понадобится калибровка – это замедляет производственные процессы, а также может иметь последствия, связанные с безопасностью, если питание пропало неожиданно.

Во-вторых, положение определяется с помощью точки отсчета. В некоторых случаях особенно при изменении напряжения или быстрых изменениях положения – могут произойти нарушения в процессе отсчета. Это может иметь разрушительное воздействие на производственный процесс, причем, это будет обнаружено не сразу (например, рассинхронизация производственных операций). Большинство инкрементальных датчиков являются оптическими, и для получения данных с большим разрешением, характеристики оптических элементов, прежде всего, решетки, должны быть очень высоки: ее период должен измеряться буквально в пределах микронов. Хотя это повышает чувствительность, однако, означает и повышенную уязвимость к внешним факторам – влага, жир, грязь могут остановить работу, или, что хуже, сделать показания неверными.

Разница в цене между абсолютными и инкрементальными датчиками сокращается, частично из-за постепенного распространения абсолютных датчиков, и, главное – из-за внедрения новых технологий для абсолютных датчиков. Конечно, оптические датчики по-прежнему остаются «устройствами выбора» для большинства инженеров, однако индукционные устройства нового поколения позволяют создавать точные абсолютные датчики положения, устойчивые к жестким условиям внешней среды.

Вместо решетки и оптического сенсора, в этих индуктивных датчиках положения используются плоские, печатные катушки индуктивности, чьи основные принципы функционирования напоминают таковые, к примеру, у датчиков угла поворота. С помощью этих катушек можно создавать компактные, легкие, абсолютные датчики с высоким разрешением, не зависящие от сложных оптических устройств. Эти датчики действительно абсолютные, и обладают большими преимуществами по сравнению с оптическими. Во-первых, на них не воздействуют загрязнения или влага. Во-вторых, на их измерительные способности, как правило, не влияют смещения или недостаточно точный монтаж. А это означает, что этим датчикам не нужно сверхточное крепление, и их очень просто крепить к частям механизмов. Это радикально упрощает автоматизацию, уменьшает размеры и вес конструкции. В общем и целом, индуктивные абсолютные датчики положения позволяют решать задачи определения положения с расходами, сравнимыми с традиционными инкрементальными датчиками.

Что такое энкодер?

В данном устройстве механическое движение преобразовывается в электрические сигналы, определяющие положение объекта, дают информацию об угле поворота вала, его положении и направлении вращения. С помощью энкодера также можно измерить длину и расстояние или установить перемещение инструмента.

Энкодеры имеют широкую сферу применения в печатной промышленности, металлообработке, лифтовой технике, автоматах для фасовки, упаковки и розлива, в испытательных стендах, а также в роботах и прочих машинах, требующих точной регистрации показателей движения частей. Они практически полностью заменили широко распространенные ранее сельсины.

Типы энкодеров

Выделяют следующие типы энкодеров: инкрементальные (инкрементные) и абсолютные.

Инкрементальный энкодер

Инкрементальный энкодер — это устройство, которое определяет угол поворота вращающегося объекта, выдавая импульсный цифровой код. Используется для определения скорости вращения вала (оси), когда нет нужды сохранять абсолютное угловое положение при выключении питания. То есть, если вал неподвижен, передача импульсов прекращается. Другими словами, если включить энкодер этого типа, то отсчет поворота угла начнется с нуля, а не с угла на который он был выставлен до момента выключения. Оси объекта и энкодера соединяются между собой с помощью специальной гибкой переходной муфты или жесткой втулки, либо энкодер может помещаться собственно на сам вал. Основным преимуществом инкрементальных энкодеров является их простота, надежность и относительно низкая стоимость.

Абсолютный энкодер

Абсолютный энкодер выдает цифровой код, различный для каждого положения объекта, позволяет определять угол поворота оси даже в случае исчезновения и восстановления питания и не требует возвращения объекта в начальное положение, что является несомненным преимуществом этого типа энкодеров. Так как угол поворота всегда известен, то счетчик импульсов в этом случае не нужен. Сигнал абсолютного энкодера не подвергается помехам и вибрации и тем самым для него не нужна точная установка вала. Абсолютный энкодер используется в высокоточных системах: робототехника, станки с числовым программным управлением и др.

Классификация по принципу действия

По принципу действия энкодеры различают:

оптические
магнитные
магниторезисторные

Оптические

Конструкция оптического энкодера состоит из специального оптического диска, светоизлучающего диода и фотодетектора. Диск с нанесенной оптической шкалой (поверхность диска состоит из прозрачных и непрозрачных участков) жестко закрепляется на валу. При вращении объекта специальный датчик считывает информацию и преобразовывает ее в импульсы.

Магнитный энкодер включает в себя вал с магнитом и датчиком Холла, который регистрирует последовательность прохождения магнитных полюсов (северные и южные) и измеряет скорость и направление вращения.

Магниторезистивный энкодер состоит из катушки помещенной в магнитное поле, катушка закрепляется на валу. При вращении катушки ее витки будут изменять положение относительно поля, они будут то пералельны полю, то перпенликулярны, соответсвенно ток в катушке будут меняться. Таким образом, протекащий через катушку ток будут изменяться в зависимости от угла поворота вала.

Параметры, на которые необходимо обратить внимание при выборе энкодеров

При выборе энкодера следует обратить внимание на следующие параметры:

Инкрементальный угловой энкодер: принцип действия, области применения

Инкрементальные энкодеры

Еще называют относительный датчик (угла, обратной связи или линейный), перемещений, счетчик импульсов. Определяет относительное перемещение, учитывая только разницу между измерениями. Электроника с датчика посылает импульсы (часто называемые квадратурными) по каналам, а смещения в этих импульсах указывают на направление и величину перемещения / движения. Устройства обеспечивают отличную обратную связь по скорости, пройденному пути. Поскольку используется небольшое количество измерительных элементов, такие системы являются простыми, недорогими, надежными. Тем не менее, данные преобразователи чувствительны к таким факторам окружающей среды, как вибрация (негативное влияние уменьшается по мере улучшения технологии измерений), могут терять разрешающую способность на высоких оборотах из-за ограничений по выходной частоте. Они также ограничены возможностью предоставления информации только о перемещении, поэтому для вычисления позиции такие датчики требуют наличия маркера исходного (нолевого) положения, обычно это референтная (нолевая) метка.

Ситуации, когда необходимо применять абсолютные энкодеры

Абсолютный угловой датчик самостоятельно определяет данные о положении — ему не нужно полагаться на внешнюю электронику, чтобы выдать реальное текущее положение. Абсолютные преобразователи позволяют работать без дополнительных внешних компонентов и с повышенным быстродействием станкам и системам, которые:

полагаются на нелинейное позиционирование
обрабатывают большие детали
имеют длительный рабочий цикл

В реальной жизни абсолютные энкодеры обеспечивают более высокую точность работы оборудования:

Обратная связь в многоосевых станках с ЧПУ, используемых при производстве всевозможных деталей
Автоматическое определение высоты больничных коек с подъемным механизмом ножничного типа
Точное перемещение портальных осей для больших транспортных средств, таких как краны или морские / карьерные подъемники
Перемещение автоматических дверей или отсеков без конечных выключателей
Непрерывное точное роботизированное движение даже после сбоя питания

Очевидной сильной стороной абсолютных датчиков, особенно по сравнению с резольверами или инкрементальными аналогами, является влияние на общую производительность их точности и скорости определения положения.

Как работает инкрементальный энкодер

Устройство выдает определенное количество импульсов за один оборот вала. Выходом может быть одиночный канал (часто называют «A») или два канала («A», «B»), которые смещены относительно друг друга для. Смещение каналов позволяет выявить направление вращения. Смещение фаз двух сигналов называется квадратурой. Стандартно прибор состоит из оптико-механического подшипникового узла, печатной платы, корпуса, выходного соединителя. Печатная плата содержит сенсорную матрицу, которая регистрирует два первичных сигнала с целью дальнейшей обработки.
Дополнительные выходы датчиков:
Канал референтной (ноль) метки (его называют «Z» или «R») в виде одного импульса на оборот служит для поиска нолевой позиции или для контроля работы выходов A, B. Эта метка может быть привязана к A или B в их различных состояниях. Она также может быть различной по ширине.
Коммутация с помощью U, V, W треков может быть предусмотрена в некоторых преобразователях. Треки согласуются с коммутирующими обмотками серводвигателей. Они также обеспечивают возможность подачи с электропривода или усилителя в каждую обмотку двигателя тока нужной силы в правильной последовательности.
Альтернативы инкрементальным энкодерам: резольверы, абсолютные энкодеры, энкодеры с аналоговым сигналом.

Применение инкрементальных энкодеров

Прибор разработан как универсальный, настраиваемый в соответствии с широким спектром задач сенсор. Выделяют три обширные области использования в зависимости от внешних условий:

Тяжелые условия эксплуатации: агрессивная рабочая среда с высокой вероятностью воздействия загрязнений, влаги, высокой температуры, ударов, вибрации, как, например, на целлюлозно-бумажных, сталелитейных, деревообрабатывающих заводах.
Промышленная автоматизация: общепроизводственные рабочие условия, которые требует стандартного класса защиты IP, устойчивости к средней силы ударам, вибрация, температурным колебаниям, как например, на заводах по производству продуктов питания, напитков, текстильных заводах, на автоматизированном заводском оборудовании в целом.
Легкие промышленные условия / Сервоустройства: сфера контроля перемещений и позиционирования с высокими требованиями к точностным, температурным характеристикам, например, робототехника, электроника, полупроводниковое приборостроение.

Оптические угловые энкодеры

Используют метод прохождения света через специальный индикаторный растр (шкалу) для определения положения вала, следовательно, объекта.
Самую простую конструкцию среди оптических угловых датчиков имеет модель с «щелевой» (по принципу расчески) маской (индикаторной пластиной), но существует ряд других исполнений, которые обеспечивают еще большую стабильность и эффективность работы.

голоса

Рейтинг статьи