Назначение и виды энкодеров
Энкодер (преобразователь угловых перемещений) – это электронное устройство, позволяющее с необходимой точностью измерить различные параметры вращения какой-либо детали, как правило, вала электродвигателя или редуктора.
Измеряемыми параметрами могут быть: скорость вращения, угловое положение по отношению к нулевой метке, направление вращения. Фактически энкодер является датчиком обратной связи, на выходе которого цифровой сигнал меняется в зависимости от угла поворота. Этот сигнал обрабатывается и далее подается на устройство индикации или на привод.
Применение энкодеров
Энкодеры широко применяются в промышленном оборудовании в ситуациях, когда необходима точная информация об объекте, который вращается или перемещается. Это может быть лента транспортера с какими-либо деталями или грузами, система измерения длины и проч. Энкодер позволяет цифровым способом узнать точную позицию детали или угол её поворота.
Виды энкодеров
Существуют два вида энкодеров – инкрементальный и абсолютный.
Инкрементальный энкодер по конструкции проще абсолютного и используется в подавляющем большинстве случаев. Данное устройство можно представить как диск с прорезями, который просвечивается оптическим датчиком. При вращении диска датчик включается или выключается в зависимости от того, находится ли он над прорезью или нет. В результате на выходе энкодера формируется последовательность дискретных импульсов, частота которых зависит от разрешения устройства (см. ниже) и частоты его вращения.
Для того, чтобы определять начальное положение (точку отсчета), используется нуль-метка (выход Z, Zero), которая формируется один раз на полный оборот. Для определения направления вращения у энкодеров обычно имеются два выхода (А и В), на которых импульсы сдвинуты по фазе на четверть периода. По разнице фаз можно однозначно определить, в какую сторону вращается вал.
Основным минусом инкрементального энкодера является необходимость непрерывной обработки и анализа сигналов — для этого требуется контроллер и соответствующая программа. Кроме того, чтобы узнать положение инкрементального энкодера после подачи на него питания, необходимо провести инициализацию для поиска нуль-метки.
Абсолютный энкодер имеет более сложное устройство, но позволяет определить угол поворота в любой момент времени, даже в неподвижном состоянии механизма сразу после включения питания. На выходе абсолютного энкодера действует параллельный код Грея, разрядность которого определяет разрешение, а значит и точность показаний датчика.
Основные параметры
Главный параметр любого энкодера – разрешение, то есть количество импульсов (для абсолютного преобразователя – разрядность, или количество бит) на один оборот. Довольно часто используются преобразователи с разрешением 1024 импульса на оборот.
- напряжение питания – от 5 до 24 В
- тип вала – сплошной, полый, без вала (сквозное отверстие)
- диаметр вала или отверстия
- тип выхода – как правило, транзисторный выход с открытым коллектором
- также учитываются размер корпуса, тип крепления и степень защиты
Также учитываются размер корпуса, тип крепления и степень защиты.
Монтаж
Энкодер крепится на валу, параметры вращения которого измеряются. Для монтажа используется специальная переходная муфта, позволяющая компенсировать возможную несоосность с валом энкодера, при этом его корпус должен быть жестко зафиксирован.
Другой вариант крепежа подходит для преобразователей с полым валом. В этом случае вал, параметры вращения которого подлежат измерению, непосредственно входит внутрь преобразователя и фиксируется в полой втулке либо в сквозном отверстии. В данном случае корпус энкодера не фиксируется, за исключением какой-либо пластины или ограничителя, не позволяющей ему вращаться.
Подключение
В простейшем случае, если позволяет ситуация, выход энкодера можно подключить ко входу счетчика и запрограммировать его на измерение скорости.
Но, как правило, энкодер используется совместно с контроллером. К контроллеру подключаются все необходимые выходы, и его программа рассчитывает скорость, ускорение, положение объекта с необходимыми коэффициентами и размерностями.
Например, энкодер установлен на валу электродвигателя, который перемещает одну деталь по направлению к другой. Путем вычислений на экране оператора отображается зазор между деталями, а при достижении некоторого минимального зазора движение деталей прекращается, чтобы избежать их повреждения.
Также преобразователи угловых перемещений нередко используются в качестве элемента обратной связи на валу двигателя, подключенного через частотный преобразователь. В этом случае энкодер устанавливается на валу двигателя или редуктора, и подключается к частотнику через специальную плату сопряжения. Таким образом, появляется возможность точного позиционирования поддержания нужной скорости и момента двигателя.
Что такое энкодер?
У нас вы можете заказать энкодеры промышленные, а именно инкрементальные, абсолютные, оптические энкодеры.
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.
Магнитные
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.
Магниторезисторные
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:
- Число импульсов на оборот (число бит у абсолютных энкодеров). От данного показателя зависит точность системы — чем больше импульсов тем выше точность.
- Вал, отверстие под вал (и их диаметр). От этого зависит каким образом на энкодер будет передаваться вращение, либо объект будет подсоединяться к отверстию энкодера, либо на вал энкодера будет передаваться вращение с помощью, например, зубчатой передачи или ремня.
- Тип выходного сигнала энкодера (HTL, TTL, RS422, двоичный код, код Грея, и др.). Данный параметр влияет на снятие сигнала энкодера и дальнейшую его передачу..
- Напряжение питания. От этого показателя зависит работа системы и точность снятия сигнала.
- Длина кабеля или тип разъема влияют на возможности установки рабочей системы.
- Другие требования по крепежу (необходимость муфты, монтажного фланца, крепежной штанги и др.). Данный параметр влияет на устойчивость установки и тем самым на точность системы.
- Важна также степень защиты энкодера от проникновения пыли и влаги.
© 2023 СТЛ-ГРУПП — Средства автоматизации и регулирования, клапаны, приводы, запорная арматура. Все права защищены.
Энкодеры
Энкодер — это датчик для измерение угла поворота объекта во время вращения. Он конвертирует угловое или линейное перемещение в последовательность сигналов, применяемый в промышленной области с целью преобразования подконтрольной величины в электрический сигнал.
Энкодеры подразделяются на инкрементальные и абсолютные — они достигают очень высокого разрешения. Оптические, резисторные и магнитные энкодеры работают через шинные интерфейсы.
Технический прогресс никогда не стоял на месте и вместе с возникновением новых инженерных задач, вставала и необходимость их решения, так появился прибор энкодер.
Что такое энкодер?
Основная задача энкодера – измерение угла поворота объекта во время вращения. Он конвертирует угловое или линейное перемещение в последовательность сигналов.
Конструкция устройства представляет закрепленный на валу диск с делениями, каждое из них однозначно определяет некоторый диапазон положений вала, а также прибор для считывания этих значений.
Магнитные энкодеры
Являются надежными и долговечными. Не требуют использования батарей. Не имеют зубчатых передач, обеспечивая механическую простоту. Небольшие габариты позволяют использовать их в очень ограниченном пространстве. Магнитные и электромагнитные энкодеры не подвержены износу и лишены недостатков энкодеров механических.
Механические датчики
Подходят для использования в зонах с интенсивными магнитными полями. Не используются в условиях тяжелой работы в промышленности, так как они легко подвержены износу и недолговечны. Их часто используют для микроволновой печи и в качестве регулятора громкости в музыкальном центре.
От надежности такого датчика зависит эффективность и качество работы оборудования. Наша компания поставляет энкодеры различных типов немецкой фирмы ASM. Широкий ассортимент продукции представленной на нашем сайте предлагает магнитные, абсолютные, инкрементальные, оптические энкодеры и др. Для того, чтобы купить энкодер, узнать стоимость оборудования или получить консультацию по техническим вопросам, заполните простую форму онлайн-заявки.
Статьи по теме
- Инклинометр — датчик угла наклона
- Датчики положения
- Инклинометры для транспортных средств
Продукция по теме
- Каталог угловых датчиков
- Абсолютные потенциометры POSIROT®
- Многооборотные энкодеры POSIHALL®
- Заказать многооборотные энкодеры
- Купить энкодеры
Принцип работы инкрементального энкодера
Инкрементальные энкодеры, в отличие от абсолютных, выдают информацию о положении относительно положения в предыдущий момент времени. После включения питания вся информация о предыдущих перемещениях пропадает и положение вала становится неопределённым. Как правило в таком случае механизм приходится перемещать в некоторое известное положение для того чтобы информация о положении снова стала актуальной.
Применяемые технологии
Работа современных энкодеров базируется на использовании определенных физических принципов, основными из которых являются магнитный, ёмкостной и оптический. Для определения положения объекта ёмкостной принцип предполагает использование изменений электрического поля, магнитный – изменений магнитного поля, оптический – изменений пучков света.
Оптические
Оптические датчики угла поворота используют изменения световых пучков, происходящие во время кругового движения кодового диска, с которым взаимодействуют пучки света. Работа оптических энкодеров основана на двух схемах: пропускательной и отражательной.
В случае пропускательной схемы световые пучки попадают на фотоприемники после прохождения через узкие отверстия в кодовом диске.
При отражательной схеме на кодовом диске происходит чередование зеркальных и рассеивающих участков. Отражающийся от зеркальных участков свет, попадает в приёмник оптического излучения.
Кодовый диск инкрементного энкодера (слева) и абсолютного энкодера (справа)
Магнитные
Магнитные энкодеры для работы используют изменения магнитного поля, которые происходят во время кругового движения кодового диска. В зависимости от способа измерения изменений, магнитные датчики углов поворота делятся на следующие виды:
- индуктивные – изменения, происходящие с магнитным полем, измеряются по изменениям взаимной индуктивности обмоток, находящихся на неподвижной и вращающейся части энкодера;
- магнитно-резистивные – в таких датчиках в качестве чувствительного элемента используются материалы, которые в магнитном поле изменяют свое сопротивление;
- на датчиках Холла – изменения магнитного поля оцениваются с помощью датчиков на эффекте Холла.
Ёмкостные
Принцип действия базируется на оценке изменений электрического поля, которые происходят при круговом движении кодового диска специальной конфигурации. Изменения емкости конденсатора, образованные вращающимся кодовым диском и обкладками на неподвижной части энкодера, является основанием для оценки электрического поля.
Выходной сигнал
Выходной сигнал инкрементального энкодера чаще всего представляет собой 2 импульсных сигнала со скважностью 50% сдвинутых относительно друг друга на 90°. Сигналы с этих двух каналов (квадратура выхода (обычно A и B)) позволяют определить направление вращения энкодера и величину углового перемещения. Направление вращения определяется опережением или отставанием импульсов одного из каналов относительно второго канала. Величина перемещения определяется по количеству импульсов на этих двух каналах. Для обработки выходного сигнала применяются специализированные счётчики импульсов, либо отдельно стоящие либо интегрированные в микропроцессоры , микроконтроллеры или ПЛК. В зависимости от способа обработки сигнала с энкодера можно получать информацию о положении или о скорости. Такая гибкость позволяет широко применять энкодеры в современных системах автоматического управления в качестве датчиков обратной связи по обоим этим величинам.
В ряде случаев энкодер оснащается третьим каналом – индексным (обозначают I или Z). Импульс на нём появляется один раз за полный оборот энкодера. Этот импульс позволяет контролировать показания с каналов A и B, а также облегчает привязку показаний инкрементального энкодера к реальному положению механизма.
Основные параметры
Разрешение
Разрешение инкрементального энкодера определяет какое минимальное перемещение вала датчика приводит к изменению сигнала на выходе датчика. У всех инкрементальных энкодеров разрешение приводится в полных циклах на один оборот. Под одним полным циклом подразумевается полный цикл измерения сигналов на двух основных каналах энкодера (A и B). При обработке сигнала инкрементального энкодера часто пользуются подсчётом импульсов «с учетверением». В этом случае подсчитывается каждый фронт (передний и задний) по обоим основным каналам энкодера A и B. Легко видеть что за время полного цикла таких фронтов будет 4 – 2 по каналу A и 2 по каналу B. Таким образом при такой обработке количество отсчётов на один оборот энкодера будет в 4 раза больше чем разрешение указанное в полных циклах.
Интерфейс
Все инкрементальные энкодеры имеют интерфейс в виде двух импульсных сигналов, а некоторые имеют и дополнительный индексный канал. Отличия могут заключаться в напряжении импульсных сигналов и в наличии дифференциального выхода (драйвера линии).
Импульсный сигнал формируемый на выходе инкрементального энкодера принимает 2 значения – максимальное и минимальное. Минимальное значение в большинстве случаев соответствует нулю. Максимальное значение может быть или фиксированным (напр. 3,3 В, 5 В) так и зависеть от напряжения питания поданного на энкодер (например на 1В или на 2 В меньше напряжения питания).
По способу формирования выходного сигнала можно выделить энкодеры:
- с несимметричным выходом
- с дифференциальным выходом (с драйвером линии).
В случае несимметричного выхода сигналы всех трёх импульсных каналов формируются относительно общей точки источника питания (0 источника питания). Такой сигнал достаточно прост при использовании и экономичен с точки зрения числа подключаемых проводов, однако уязвим для электромагнитных помех в случае передачи по проводам значительной длины. Сигнал энкодеров с дифференциальным выходом лишён этого недостатка. Для каждого канала при помощи специального формирователя вместо одного сигнала формируется пара сигналов – нормальный и логически инверсный, а соответствующий приёмник принимает сигнал по разности этой пары сигналов. Это позволяет устойчиво передавать сигнал по длинным проводам (десятки и сотни метров) даже при наличии помех.
Скорость вращения
Важным параметром о котором не следует забывать является максимальная скорость вращения при которой происходит корректная выдача выходного сигнала. Именно от него зависит можно ли будет установить инкрементальный энкодер на валу скоростных бесколлекторных двигателей или же его можно будет использовать только на выходе мотор-редукторов и сравнительно медленных моментных двигателей.
Когда применяют инкрементальные энкодеры
Вопрос о том какие энкодеры предпочтительней применить в той или иной системе неразрывно связан с требованиями, предъявляемыми к ней. Если сразу после подачи питания на систему датчик должен выдавать правильное положение, то тогда лучше применить абсолютный энкодер. А если после старта допускается период подготовки системы к работе когда можно провести вывод механизма в нулевое положение, то тогда можно применять инкрементальный энкодер.
Инкрементные энкодеры имеют более простую конструкцию, поэтому среди них можно найти модели очень компактных размеров, недостижимых для абсолютных датчиков. Этим определяется применение инкрементных энкодеров в малогабаритных системах.
Если энкодер используется только для определения скорости вращения механизма, то для выполнения этой функции достаточно инкрементного энкодера.
Области применения
Инкрементальные энкодеры являются одним из самых распространённых датчиков в современных сложных технических системах. Вот лишь некоторые примеры:
- Медицинская техника
- Автоматизированное тестовое и диагностическое оборудование
- Самодвижущиеся роботоподобные устройства
- Системы контроля доступа