Что такое поворотный энкодер? Типы, работа и применение

Точность является насущной необходимостью в современном инженерном мире, где ничто не является роскошью. В промышленной автоматизации, бытовой электронике и всех других устройствах можно получить контроль над движением, но он должен быть точным. Важнейшей частью этой возможности является жизненно важный электромеханический компонент - поворотный энкодер. В этом учебном пособии подробно рассматривается поворотный энкодер, объясняется его назначение, внутренние механизмы, основные категории, а также фундаментальное использование в различных приложениях/системах в реальных сценариях.

Что такое поворотный энкодер и почему он имеет значение

Поворотный энкодер - это электромеханическое устройство или электромеханический датчик, который измеряет угол поворота или перемещения вращающегося вала и выдает эту информацию в виде электрического сигнала. Этот сигнал может быть аналоговым или цифровым, который предоставляет информацию об угловом положении подключенного оборудования, направлении вращения вала, скорости и ускорении. Его эксплуатационные возможности неоценимы во многих различных механизмах, где требуется точная обратная связь по вращению в механизме управления с замкнутым контуром или точный метод измерения.

Поворотный энкодер принципиально отличается от потенциометра, хотя их часто сравнивают. Потенциометр - это простой абсолютный аналоговый датчик, выдающий на выходе напряжение, которое увеличивается в зависимости от положения подвижного стеклоочистителя, и имеющий предел угла поворота менее 360A}}$S примерно на 270 градусов, при этом нуль выхода соответствует от 0 до 360 градусов (в зависимости от производителя). Большинство поворотных энкодеров, напротив, являются бесконтактными или способны поворачиваться на теоретически неограниченное число градусов, а используемые в них бесконтактные методы измерения позволяют избежать механического износа, присущего стеклоочистителю потенциометра. Это делает их идеальными для использования в системах с непрерывным вращением и значительно увеличивает срок службы.

Поворотные энкодеры служат основой для миллионов автоматизированных процедур. Такие устройства, используемые в промышленном управлении, робототехнике, обработке на станках с ЧПУ и других областях, жизненно важны для того, чтобы дать системе представление о том, как она работает, чтобы она могла подстроиться под нее и понять свое состояние. Изучение принципов их работы важно для любого инженера или техника, который собирается работать в этих областях.

Понимание принципов работы поворотных энкодеров

В самом простом виде суть работы поворотного энкодера заключается в том, что он просто переносит механическое вращение в серию электрических импульсов. Поворотный энкодер работает, выполняя эту задачу благодаря продуманному взаимодействию кодированного элемента и чувствительного элемента.

Самым важным элементом является диск с узором или кодовое колесо, которое напрессовывается на ось. Этот диск имеет повторяющийся рисунок с определенными характеристиками, которые воспринимает фиксированный датчик. Применение этого принципа отличается тремя основными технологиями:

• Оптический поворотный энкодер: Это самый распространенный из различных типов энкодеров, и в большинстве случаев он имеет самое высокое разрешение. Кодовое колесо представляет собой прозрачный диск, на котором расположены непрозрачные линии или прорези. Вместо него используется светоизлучающий диод (LED), который проецирует свой луч через диск, а затем фотодатчик регистрирует попадания в световой луч, когда непрозрачные линии перемещаются через линию обнаружения; в результате формируется импульс.
• Магнитные энкодеры: В этой конструкции используется намагниченный ротор в виде кодового колеса, имеющего ряд северных и южных полюсов. Изменения магнитных полей при вращении колеса регистрируются стационарным магнитным датчиком на эффекте Холла или магниторезистивным датчиком. Магнитные энкодеры могут быть очень прочными и иметь высокий уровень надежности, а также не переносят таких факторов окружающей среды, как пыль, влага и масло, что делает их пригодными для использования в грязных промышленных условиях.
• Механические энкодеры: Это самый дешевый и простой в использовании прибор. Токопроводящие дорожки на диске вступают в физический контакт с неподвижным набором щеток. Изменение рисунка при вращении вала перемыкает и разрывает цепи для создания сигнала. Их недостатком является механический износ, короткий срок службы и дребезг контактов, что приводит к необходимости дебаунсинга сигнала.

Главным новшеством большинства инкрементальных энкодеров является использование квадратурных сигналов, отсюда и название - квадратурный энкодер. Они генерируют две отдельные последовательности импульсов (одна называется фазой A, а другая - фазой B), которые расходятся по фазе на 90 градусов. Сравнивая, какая фаза сигнала опережает другую, можно с уверенностью определить направление вращения. Когда A опережает B, вращение на плоскости происходит по часовой стрелке; когда B опережает A - против часовой стрелки. Кроме того, можно измерить частоту этих импульсов, чтобы получить скорость вращения вала.

Чем точнее энкодер, тем выше его разрешение, которое выражается в импульсах на оборот (PPR) или отсчетах на оборот (CPR). Энкодер с разрешением 1000 PPR будет выдавать 1000 импульсов на 360 градусов вращения по каналам A и B. Многоканальные энкодеры также включают третий канал - сигнал Z или индексный сигнал, который выдает один импульс на каждый оборот. Это очень полезно в случае последовательности наведения и калибровки положения.

Основные типы кодирующих устройств и их ключевые различия

Хотя энкодеры имеют несколько других форм в зависимости от способа восприятия, их наиболее важная классификация - по способу вывода. Решение об использовании инкрементального или абсолютного энкодера является одним из основных конструктивных решений в системе и зависит от требований к положению и стоимости конкретного приложения.

Инкрементальный поворотный энкодер: Инкрементальный поворотный энкодер - это энкодер, имеющий на выходе поток импульсов, отражающих относительное движение. Он не отображает реальное положение вала, а показывает, что он перемещается и в каком направлении. Контроллер в системе должен регистрировать эти импульсы относительно известной начальной точки. Эта начальная точка должна быть задана, обычно с помощью процедуры самонаведения по Z-сигналу. Первое достоинство инкрементальных энкодеров заключается в том, что они просты и дешевы. Тем не менее, основным недостатком является то, что в случае потери питания вся информация о позициях будет удалена. После восстановления питания система должна быть перепрограммирована, чтобы восстановить положение.

Абсолютный поворотный энкодер: В абсолютном поворотном энкодере каждому положению вала соответствует свой сигнал - цифровое слово, или код. В абсолютном энкодере кодовое колесо более сложное, поскольку каждое положение кодируется определенным набором двоичного кода. Это означает, что если система потеряла питание, но затем восстановила его, энкодер будет выдавать фактическое положение сразу после подачи питания. Таким образом, отпадает необходимость в последовательности самонаведения и не теряются данные позиционирования во время цикла питания, что необходимо в большинстве критических приложений, связанных с безопасностью и высоким позиционированием. Абсолютные энкодеры еще больше подразделяются на:

• Однооборотный: Обеспечивает абсолютное положение в пределах одного оборота на 360 градусов.
• Многооборотный: В комплект входит дополнительный зубчатый механизм для подсчета количества полных оборотов, обеспечивающий уникальный код в широком диапазоне движения.

Неудивительно, что дополнительная сложность и возможности абсолютных энкодеров делают их более дорогими по сравнению с инкрементными аналогами.

Сигнальные выходы и способы декодирования поворотных энкодеров

Выходной сигнал квадратной волны, получаемый кодером, должен быть правильно декодирован на принимающем контроллере (обычно это ПЛК, микроконтроллер или привод). Правильная классификация различных типов выходных сигналов очень важна для обеспечения совместимости оборудования и целостности сигнала.

Доминирующим сигналом является квадратурный сигнал (фазы A/B), как объяснялось в предыдущих параграфах. Однако схема выходного драйвера определяет электрические свойства того, как эти сигналы управляются. Типичными примерами являются:

• Push-Pull (HTL - High-Threshold Logic): Популярный выход общего назначения. Он положительно изменяет уровень сигнала на высокий (к напряжению питания) и низкий (к земле), чтобы создать сильный помехоустойчивый сигнал. Он находит широкое применение в 24-вольтовых промышленных системах.
• TTL (Транзисторно-транзисторная логика): Этот драйвер дает квадратный выход 5 В и предназначен для кабелей большой длины благодаря наличию выходов A и A-нет, B и B-нет, Z и Z-нет, которые представляют собой драйвер дифференциальной линии. Дифференциальные сигналы обеспечивают превосходное подавление синфазного шума.
• Открытый коллектор (NPN/PNP): Один из типов выхода - открытый коллектор (NPN/PNP), который используется как переключатель. Он способен вывести сигнальную линию на землю (NPN) или на напряжение питания (PNP), но не может активно двигаться в другом направлении. Это требует наличия внешнего подтягивающего или отводящего резистора на конце контроллера, который обычно привязан к общему выводу, такому как VCC или земля, и используется для установления определенного логического состояния. Такая схема сопряжения удобна для систем с различным логическим напряжением.

Процесс расшифровки сигналов A / B логичен. Контроллер проверяет, какой из двух каналов доступен. Противоположный или один и тот же канал приводит к проверке, чтобы определить направление. Если состояние канала A изменилось только сейчас, контроллер проверяет текущее состояние канала B. Если B отличается от предыдущего состояния A, то направление будет по часовой стрелке, и аналогичная ситуация происходит в обратном направлении (когда предыдущее состояние A аналогично состоянию B, то направление будет против часовой стрелки). Логика обычно применяется к аппаратным счетчикам или через программное обеспечение с использованием внешних прерываний для обеспечения надежного контроля в реальном времени. Количество проводов (например, 3-проводной, 5-проводной) в энкодере зависит от типа его выхода (энкодер с выходом/DC-типа должен иметь больше проводов), его способности использовать энергию, а также от того, имеет ли энкодер Z-сигнал или дифференциальные выходы.

Важные характеристики при выборе поворотного энкодера

Для определения типа энкодера необходимо провести тщательный анализ, чтобы определить потребности приложения. При принятии решения о выборе инкрементального (по сравнению с абсолютным) энкодера необходимо учитывать некоторые важные технические характеристики:

• Резолюция (PPR/CPR): Это счетчик импульсов или счетчик оборотов. Большее разрешение позволяет повысить точность измерений, но для этого необходимо использовать контроллер, способный передавать и принимать данные с более высокой скоростью. Это должно быть увязано с необходимой точностью позиционирования системы.
• Точность: Не следует смешивать это понятие с точностью. Точность - это наибольшая погрешность между положением, указанным энкодером, и фактическим физическим положением. Обычно ее измеряют в аркминутах или арксекундах.
• Выход Тип: Выбранный тип выхода Push-Pull, TTL или Open Collector должен быть совместим с входными схемами контроллера, как описано выше.
• Механические характеристики: Это (вместе с диаметром вала, схемой монтажа (например, фланцевое крепление, крепление сервопривода) и физическим размером корпуса энкодера). Он должен физически вписываться в конструкцию машины.
• Окружающая среда Номинальные характеристики (рейтинг IP): Степень защиты от проникновения IP (Ingress Protection) - это определение энкодера, определяющее его устойчивость к пыли и жидкости. Он может иметь степень защиты IP65, то есть быть пыленепроницаемым и водостойким, что позволяет использовать его в большинстве промышленных объектов. Номинальные значения вибрации и ударопрочности: также важны для оборудования, подвергающегося значительным механическим нагрузкам.

Любитель, имеющий настольный 3D-принтер, может отказаться от высокой стоимости и использовать более простой механический или оптический инкрементальный энкодер с низким разрешением. И наоборот, инженер-конструктор, разрабатывающий роботизированный манипулятор для производственной линии, должен уделять особое внимание абсолютному позиционированию, высокой точности и достаточно высокому классу защиты IP, поэтому он будет склоняться к использованию магнитного или оптического абсолютного энкодера высокой спецификации.

Применение в реальном мире в промышленных и бытовых системах

Поворотные энкодеры имеют довольно разнообразное и многочисленное применение в зависимости от различных областей применения и практически во всех отраслях техники.

• Промышленная автоматизация: Энкодеры - это ключ к обратной связи с двигателем. Они могут быть установлены на задней части ударного вала сервопривода, шагового двигателя или двигателя постоянного тока для передачи информации о скорости и положении в привод, чтобы обеспечить более высокий уровень управления конвейерными лентами, упаковочными машинами и автоматизированными коллективными линиями.
• Робототехнические системы: Многоосевые манипуляторы роботов используют абсолютные энкодеры, расположенные вдоль каждого сустава, для точного измерения угла и положения каждого сегмента. Эта информация важна для определения местоположения конечного исполнительного механизма робота и для выполнения правильных движений контроллером.
• ЧПУ & 3D-печать: 3D-печать В инструментах с числовым программным управлением (ЧПУ) и 3D-принтерах энкодеры устанавливаются на серводвигатели, которые приводят в действие шарико-винтовые пары и порталы. Они гарантируют, что головка инструмента или сопло принтера будут работать с микронной точностью.
• Автомобиль: В современных автомобилях энкодеры можно встретить в таких приложениях, как датчики угла поворота рулевого колеса в электронных системах контроля устойчивости, а также в ручках тактильной обратной связи информационно-развлекательной системы.
• Бытовая электроника: Недорогой инкрементальный энкодер можно найти в колесе прокрутки компьютерной мыши в более мелком масштабе. Энкодеры также можно использовать для плавного и непрерывного поворота ручек громкости аудиоаппаратуры высокой категории с цифровой точностью.

Как подключить поворотные энкодеры к микроконтроллерам

Одна из наиболее типичных инженерных задач - сопряжение датчика положения такого типа с устройством, способным его интерпретировать, - контроллером, таким как Arduino, Raspberry Pi или программируемый логический контроллер (ПЛК). Это достигается с помощью соответствующих электрических контактов и программы для считывания сигналов.

Во-первых, убедитесь в уровне напряжения. Для промышленного энкодера HTL с напряжением 24 В требуется интерфейс на 5 В. Для выходов с открытым коллектором необходимо предусмотреть внешние резисторы для подтягивания к высокому уровню, чтобы обеспечить надежный высокий уровень в тех местах, где выход не является управляющим.

Аппаратные прерывания обеспечивают наиболее эффективный программный подход к считыванию данных с энкодера. Выводы микроконтроллера, к которым подключены выходы каналов A и B, поддерживают прерывания. Каждый нарастающий и спадающий фронт сигнала активирует подпрограмму обслуживания прерываний (ISR). Внутри ISR логика декодирования определяет направление и увеличивает или уменьшает переменную счетчика положения. Эта техника значительно лучше, чем так называемый опрос (многократная проверка состояния пина во время цикла), который действительно может пропустить импульс, даже если основная программа занята в другом месте.

Типичные ловушки - неправильное подключение (смешивание каналов A / B или горячая/нейтральная линия питания) и неучет дребезга сигнала при использовании механических энкодеров. Незначительный конденсатор в аппаратном обеспечении или прослушивание в течение нескольких миллисекунд и изменение состояния в программном обеспечении, реагируя на алгоритм “дребезга” Дребезг также может быть противопоставлен относительно высокому сопротивлению общей сигнальной линии между несколькими устройствами. Очень важно следовать определенному методу: разводка, код, тестирование.

Почему OMCH - ваш надежный производитель кодировщиков

Первый шаг - изучение теории и использования поворотных энкодеров. Вторым, но не менее важным, является поиск устройства, которое обеспечит надежность и производительность, необходимые вашей системе.

OMCH - профессиональный производитель с более чем 10-летним опытом работы в области промышленного управления и электротехнической продукции. Мы поставляем высокопроизводительные компоненты, которые эффективны и надежны в экстремальных условиях эксплуатации.

Наша линейка поворотных энкодеров разработана с учетом жестких требований, предъявляемых к современным системам автоматизации и управления. Мы предлагаем:

• Высокое разрешение и высокоточные модели: Обеспечение точности вашей системы, для которой она была разработана.
• Разнообразные сигнальные выходы: Наша продукция охватывает все основные типы выходов, включая Push-Pull (HTL), TTL Line Driver и Open Collector, что обеспечивает бесшовную интеграцию с существующим ПЛК или аппаратурой управления.
• Долговечность промышленного класса: Благодаря высокому классу защиты IP и прочной конструкции наши энкодеры выдерживают вибрацию, загрязнения и перепады температур в заводских цехах.

Если ваше оборудование создано для передовых станков с ЧПУ, робототехники или сложных процессов промышленной автоматизации, предлагаемая нами обратная связь будет надежной независимо от цели применения. Мы обеспечиваем профессиональное обслуживание нашего оборудования, чтобы помочь вам сделать правильный выбор энкодеров для вашей задачи.

Узнайте больше о нашем ассортименте высококачественных профессиональных кодеров, а также о том, как мы можем повысить производительность вашей системы, на сайте https://www.omch.com. Мы готовы предоставить вам бесплатные консультации по подбору и услуги по тестированию (образцы).