Резольвер и кодировщик: Основные сведения для промышленного использования

При автоматизации производства система управления является одним из наиболее важных факторов, которые необходимо учитывать. Однако вы не сможете управлять чем-то, если сначала не сможете это измерить. Энкодеры и резольверы выполняют одну и ту же основную функцию. Они выступают в качестве устройства обратной связи серводвигателей, преобразуя механическое движение вала из вращательного в электрические сигналы, которые могут быть восприняты и поняты контроллером привода. В самых разных областях применения - от роботизированных рук до электромобилей - выбор одного из этих двух устройств определяет не только способность устройства работать точно, но и его надежность.

Принципы работы

Выбор идеального компонента для каждой функции требует изучения физики движущей силы. Основные различия между энкодером и резольвером заключаются в том, как они воспринимают движение: один - с помощью электромагнетизма, другой - с помощью света.

Резольверы: Аналоговые поворотные трансформаторы

Резольвер - это продукт тех времен, когда механические компоненты должны были быть прочными и надежными. По сути, это вращающийся трансформатор. Моторный резольвер состоит из двух частей: неподвижного статора и ротора, который вращается вместе с валом двигателя. Однако уникальность этих деталей заключается в том, что они не содержат печатных плат, припоя или кремния. Единственные компоненты, которые они содержат, - это медные обмотки (или катушки), железные пластины или металлический корпус.

В некоторых конструкциях для экономии места используются бескаркасные резольверы, устанавливаемые непосредственно на двигатель. Резольверы работают за счет электромагнитной индукции. На обмотки ротора подается опорный сигнал переменного тока, и, когда ротор вращается, один сигнал индуцируется во вторичных обмотках. Вторичные обмотки расположены под углом 90 градусов к статору и предназначены для измерения углового положения ротора.

Затем одна вторичная обмотка выдает напряжение, пропорциональное синусу угла, а другая - пропорциональное косинусу. На основе синуса и косинуса контроллер определяет текущее положение ротора. Эта оценка выполняется в непрерывном режиме без цифровой обработки и дает аналоговый сигнал.

Энкодеры: Цифровые фотоэлектрические датчики

Если резольвер - это аналоговая "рабочая лошадка", то оптические энкодеры - это цифровые прецизионные приборы. Их работа основана на прерывании света. Внутри поворотного энкодера на вращающемся валу закреплен кодовый диск - как правило, из стекла или высококачественного пластика. На этот диск нанесены тысячи микроскопических линий, создающих узор из прозрачных и непрозрачных щелей. На одной стороне диска расположен светодиодный источник света, а на другой - массив фотодетекторов.

Когда диск вращается, он измельчает луч света на быстрые вспышки. Датчик обнаруживает эти вспышки и преобразует их в электрические импульсы. Внутренняя электроника (чип ASIC) немедленно обрабатывает эти импульсы в чистый цифровой выход - обычно в виде серии квадратных волн (0 и 1).

Оптический энкодер обеспечивает прямой цифровой язык, на котором говорят современные контроллеры, предлагая обратную связь высокого разрешения, разбивающую одно вращение на миллионы точных отсчетов. Оптический энкодер представляет собой прямой цифровой сигнал, на котором говорят современные контроллеры, и обеспечивает обратную связь высокого разрешения, разбивающую одно вращение на миллионы точных отсчетов. Это дает явное преимущество перед простыми инкрементальными энкодерами, которые могут потребовать возврата в исходное положение после потери питания.

Энкодеры и резольверы можно сравнить следующим образом: резольверы работают как традиционные механические наручные часы. Они построены из слоев сложных, тяжелых пружин и шестеренок (медных и железных). Они рассчитаны на длительный срок службы и основаны исключительно на механических, физических принципах. Оптический энкодер, напротив, похож на смарт-часы. Эти современные чудеса оснащены микропроцессорами, датчиками и всевозможной современной электроникой. Они невероятно многофункциональны и отличаются повышенной точностью. Правда, до тех пор, пока вы не разобьете их о камень. Не только датчики выйдут из строя, но и кодовый диск, скорее всего, треснет от инерции сильного удара.

Резольвер и кодировщик: Основные технические характеристики

Для того чтобы перейти от теории к проектированию, нам нужны факты, точнее, статистические факты, о чем свидетельствует приведенное ниже сравнение характеристик распространенных типов энкодеров и резольверов.

Данные четко очертили границы. Если требуется использовать двигатель, вращающийся со скоростью 50 000 об/мин, импедансные характеристики резольвера приведут к ухудшению сигнала, что заставит вас в качестве последнего варианта использовать энкодер. С другой стороны, если температура корпуса вашего двигателя составляет 140 °C, то кремниевые чипы в энкодере сгорят. Поэтому резольверный датчик будет единственным вариантом.

Чем отличаются друг от друга Resolver и Encoder?

Разница между резольвером и энкодером заключается не в том, что один из них лучше. Это просто вопрос выживания в неблагоприятных условиях (т. е. при экстремальных температурах) и низкой производительности или точности и выполнения работы.

Доводы в пользу прочности (Resolver)

Старинная конструкция резольвера не только препятствует воздействию электроники, но и делает его безоговорочным чемпионом по выносливости в экстремальных условиях. Поскольку ничто не может выйти из строя под воздействием тепла или излучения (т. е. в суровых условиях), резольвер остается на высоте в условиях окружающей среды.

• Температура: Стандартный резольвер непрерывно работает при температуре около 155°C. Специализированные модели даже рассчитаны на температуру 200°C и более в высокотемпературных средах, что является предельным значением. Это просто следствие изоляционного материала и проводов, используемых в медных формах.
• Вибрация и удары: Резольвер выдерживает механические удары (например, свыше 200g) и сильную вибрацию. Стеклянные диски не бьются и паяные соединения не ломаются.
• Загрязняющие вещества: Магнитные поля не подвержены влиянию масла, смазки, влаги или пыли. Резольвер может работать, будучи залитым маслом. Это позволяет встраивать их непосредственно в корпус двигателя для контроля положения вала.

Дело в точности (кодировщик)

Более точные данные означают, что оптический энкодер будет менее долговечным.

• Точность: Оптическая технология имеет гораздо более высокое разрешение. Разрешение энкодера выше по сравнению с резольвером. Резольвер теряет точность из-за точности механической обмотки и шума сигнала. Оптический энкодер не имеет такой проблемы и может достигать 20-битного разрешения для высокой точности.
• Четкость сигнала: Сигнал сразу же оцифровывается, что означает меньшее воздействие электромагнитных помех. Таким образом, по сравнению с резольвером оптические энкодеры более защищены во время передачи данных.
• Динамический отклик: Для некоторых применений оптический энкодер предпочтительнее резольвера, поскольку он содержит большую плотность обратной связи и обеспечивает большее количество линий для точного управления скоростью.

За пределами цены наклейки: Анализ реальных затрат

Когда менеджер по закупкам рассматривает спецификацию материалов (BOM), одной из наиболее распространенных ошибок является сравнение стоимости только одного датчика в BOM. Более широкий взгляд, интегрированный, приведет к принятию лучшего решения в виде общей стоимости владения (TCO). В контексте сравнения стоимости резольвера и энкодера важно смотреть не только на цену наклейки.

В большинстве случаев высококачественный оптический энкодер имеет более высокую цену, поэтому его производство обходится дороже по сравнению со стандартным резольвером. Простой резольвер стоит дешевле, поэтому преобладает в цене.

Самый большой риск заключается в интеграции. Резольвер выдает “тупой” аналоговый сигнал, который ваша система управления не может считывать напрямую. Ваш привод должен быть оснащен преобразователем резольвера в цифровой сигнал (R/D), который часто является дополнительной функцией сервопривода или дорогостоящей дополнительной платой. Кроме того, резольверы требуют дорогостоящих многопарных, витых и экранированных кабелей для длинных кабельных линий, чтобы сохранить искаженный аналоговый сигнал от помех.

С другой стороны, оптический кодер выдает на выходе пригодный для использования цифровой сигнал. Он легко подключается к стандартным входам практически любого контроллера и не требует дорогостоящего специализированного оборудования и программного обеспечения для декодирования сигнала или дополнительного шумоподавления. По этой причине оптические энкодеры обычно приводят к снижению общей стоимости системы в общепромышленных системах автоматизации, поскольку они упрощают архитектуру и общую конструкцию, хотя аппаратное обеспечение стоит дороже.

Отраслевые применения: Резольвер и кодировщик

Технические атрибуты, о которых мы говорили, привели к естественному разделению рынка в отрасли на основе различных потребностей.

Электромобильные двигатели: Дело для решателей

Если рассматривать электронные компоненты, способные выдерживать самые экстремальные условия, то тяговый электродвигатель электромобиля (EV) занимает первое место в списке. Двигатель испытывает удары от выбоин, вибрации дороги и высокие температуры из-за больших токов и охлаждения датчиков, что усугубляется тем, что они находятся глубоко внутри конструкции двигателя.

В таких экстремальных условиях от датчика требуется надежное выполнение своих функций, поскольку в противном случае он может создать опасность на дороге, выведя EV из строя. Это объясняет, почему большинство производителей EV выбирают резольверы: они могут работать в условиях, когда оптические энкодеры выходят из строя в течение нескольких минут. Резольверы описывают как ‘резервуар’, сигнал обратной связи о положении двигателя остается стабильным до тех пор, пока вращается вал двигателя.

ЧПУ и робототехника: Применение оптических энкодеров

В обработке с компьютерным числовым программным управлением (ЧПУ) и в шестиосевой робототехнике, которая ее выполняет, выживание больше не является приоритетом. На смену ему пришло точное управление движением на сборочных линиях.

• Отделка поверхности: Профиль скорости подачи станка с ЧПУ должен быть точным при резке пресс-формы для смартфона. Любое отклонение от запрограммированной скорости подачи приведет к образованию ряби на поверхности металла. Оптические энкодеры обеспечивают сервоприводу необходимую коррекцию скорости для поддержания постоянной скорости.
• Позиционирование: Роботизированная рука должна поддерживать субмикронную точность при установке микросхемы на печатную плату. Достижение такого уровня точности удержания является сложной задачей из-за аналогового шумового поля резольвера. Для такого уровня автоматизации оптические энкодеры обеспечивают необходимое стабильное управление и точный контур обратной связи.

Тенденции рынка: Рост магнитных альтернатив

За последние несколько десятилетий подавляющий бинарный выбор оптических энкодеров и резольверов, согласно последним исследованиям рынка, оказался неоптимальным. С развитием технологий на основе эффекта Холла и AMR (анизотропного магнитосопротивления) промышленность стала отдавать предпочтение магнитным энкодерам (а иногда и емкостным) как сбалансированному компромиссу между типами энкодеров.

Передовые производители электромобилей, такие как Tesla и BYD, и систем управления движением, такие как Universal Robots и Yaskawa, являются передовиками в отрасли, заменяя тяжелые резольверы миниатюрными магнитными датчиками. 10-20-битная магнитная обратная связь позволяет значительно сократить пространство и снизить стоимость на 15% без ущерба для производительности. Это доказательство того, что магнитная технология является рациональным оптимальным решением для многочисленных случаев применения.

Однако в аэрокосмической отрасли эта смена караула идет вразрез со стаей. Из-за жестких условий эксплуатации резольверы остаются. В задачах, связанных с тепловыми проблемами, например, при работе в диапазоне от -55°C до + 180°C, или требующих точности позиционирования 0,1°C или выше, по-прежнему используются резольверы. Магнитные альтернативы, пока еще не доказанные для использования в критически важных для полета системах, в настоящее время проходят испытания.

Руководство по выбору

В этих случаях компромиссы, определяемые набором параметров, позволяют сделать обоснованный выбор. В данном случае энкодер против резольвера не является слухом об устаревании, а скорее описывает необходимую специализацию. Воспользуйтесь приведенной здесь трехступенчатой матрицей принятия решений, чтобы определить лучшее устройство обратной связи для вашего двигателя и избавиться от беспорядка в процессе:

Теперь, когда вы точно знаете, что вам нужно, остается только вопрос, где это купить, не переплачивая.

Именно здесь на помощь приходит компания OMCH. С 1986 года мы доказали, что промышленная надежность не требует высокой цены. Мы не просто поставщик, мы - двигатель производства, обслуживающий более 72 000 клиентов в 100 странах и поставляющий 20 миллионов устройств в год. Имея на складе более 3 000 SKU, включая широкий ассортимент высокоточных энкодеров, сертифицированных по стандартам CE и RoHS, мы, скорее всего, сможем предложить именно ту спецификацию, которую вы ищете. Зачем рисковать своим бюджетом, покупая завышенные бренды, если можно получить такие же стабильные характеристики непосредственно от производителя?

Если вам нужен прочный датчик для тяжелых условий эксплуатации или прецизионный энкодер для автоматизированной линии, перестаньте гадать и начните оптимизировать. Обратитесь в службу поддержки OMCH сегодня для получения бесплатной консультации или Ознакомьтесь с нашим каталогом энкодеров чтобы найти идеальный вариант для вашего следующего проекта.

Вопросы и ответы

• Зачем использовать резольвер вместо энкодера?

Резольверы выбираются в первую очередь из-за долговечности. Поскольку они не содержат встроенных электронных компонентов (микросхем, конденсаторов или припоя), они способны выдерживать экстремальные температуры (>155°C), сильную вибрацию и излучение, которые могут привести к мгновенному выходу из строя хрупкой электроники внутри энкодера.

• Является ли резольвер абсолютным энкодером?

Да, стандартный резольвер действует как однооборотный абсолютный энкодер (его часто сравнивают с абсолютными энкодерами), предоставляя данные об абсолютном положении в аналоговом виде. Он выдает отдельное аналоговое напряжение для каждого уникального значения положения при повороте на 360 °C (обеспечивая абсолютная позиция). После подачи питания он знает свое положение, но не может отслеживать другие полные обороты во время включения без дополнительной логики в электронике обратной связи.

• Можно ли просто заменить резольвер на энкодер?

В большинстве случаев ответ отрицательный. Каждый электронный интерфейс резольвера и энкодера сильно отличается; энкодер использует цифровые выходы и питание постоянного тока, в то время как резольверу требуются аналоговые выходы и возбуждение переменного тока. В случае замены устройств, скорее всего, придется менять сервопривод или устанавливать дорогостоящий преобразователь сигналов.