Энкодеры

Инкрементальные энкодеры Lenord Bauer – датчики угла поворота и перемещения для действительно тяжелых условий эксплуатации

Принцип действия бесконтактных инкрементальных энкодеров основан на преобразовании вращательного движения в электрические сигналы. Инкрементальные энкодеры немецкой компании Lenord + Bauer сочетают преимущества магнитной измерительной системы с надежной механической конструкцией. При этом магнитная измерительная система обеспечивает работу без износа механических частей и технического обслуживания.

Защита от неблагоприятных внешних воздействий

Магнитные инкрементальные энкодеры Lenord Bauer зарекомендовали себя повсеместно в различных областях, даже в самых тяжелых условиях эксплуатации. Они отличаются высокой надежностью и длительным сроком службы, что обеспечивается дополнительными конструктивными особенностями:

Защита от воздействия влаги. Электронные компоненты имеют высокоэффективную защиту от повышенной влажности, соленого тумана, а также воздействия едких паров. Всё это гарантирует надежное функционирование даже в самых жестких условиях.

Вывод для водяного конденсата. При работе в условиях многократной конденсации в корпусе может скапливаться вода, которая выводится через специальные отверстия для выпуска конденсата. В качестве альтернативы могут быть использованы спечённые элементы или воздухопроницаемые мембраны.

Защита от вибраций. Дополнительная фиксация механических деталей предохраняет электронные части и соединения внутри инкрементального энкодера от воздействия вибраций, что обеспечивает бесперебойную длительную работу инкрементальных энкодеров даже при воздействии чрезвычайных вибраций и ударов.

Инкрементальные энкодеры со встроенными подшипниками

В настоящее время для автоматического управления в режиме реального времени требуется высокая точность измерений контролируемых параметров. В этом случае используются инкрементальные поворотные энкодеры со встроенными подшипниками. Для этой измерительной системы характерно встраивание сканирующего устройства и целевого колеса в один корпус. Оба компонента точно совмещены друг с другом.

С количеством импульсов до 10 000 инкрементов на оборот, такие энкодеры охватывают все диапазоны измерений на транспорте и проверены многолетней эксплуатацией на железной дороге.

Бесконтактное измерение

Магнитные инкрементные поворотные энкодеры получают значения изменения угла торсионного вала. Встроенные сенсоры бесконтактно сканируют встроенное в корпус целевое колесо. При этом выдаются два сигнала с фазовым сдвигом 90 градусов друг относительно друга. Из этих сигналов можно определить направление вращения, угловое движение, пройденную дистанцию и скорость вращения вала.

После подключения питающего напряжения инкрементальные энкодеры в основном измеряют только разность между референсным значением и начальной позицией. Если имеется отдельный выход для нулевого индекса, возможно определение позиции посредством программы поиска референсных значений.

Магнитный сенсор выдает дифференциальные сигналы 1-Vpp и логические сигналы HTL или TTL.

Инкрементальные энкодеры имеют высокое разрешение – до 266 240 инкрементов на оборот.

Принцип работы

Работу энкодера вращения проще всего объяснить на примере оптического энкодера. Представьте себе вал электродвигателя, на котором закреплен диск с прорезями. С одной стороны диска расположен светоизлучающий элемент, луч света проходит через прорези и регистрируется фотоэлементом, расположенным с другой стороны (устройство, состоящее из спаренных светоизлучающего и принимающего элементов, называется фотопрерыватель). При вращении диска луч прерывается, в результате чего на выходе фотоэлемента мы получим меандр — сигнал прямоугольный формы. И частота меандра будет пропорциональна скорости вращения диска. Таким образом можно судить о скорости вращения вала электродвигателя.

Однако работающее по описанному принципу устройство не способно определить направление вращения. Чтобы исправить это добавим в него второй фотопрерыватель и расположим с некоторым смещением относительно первого. В зависимости от направления вращения диска сигнал на выходе первого фотопрерывателя будет меняться раньше или позже чем сигнал на выходе второго. А значит, анализируя как меняются эти два сигнала, мы можем определить направление вращения.

На практике смещения сигналов добиваются не за счет особого расположения фотопрерывателей, а путем добавления второй полосы с прорезями или прозрачными и непрозрачными участками. Участки на двух полосах расположены так чтобы обеспечить сдвиг сигнала по фазе на 90 градусов, поэтому работающие по такому принципу энкодеры называются квадратурными.
На этом же принципе основаны механические энкодеры, только вместо фотопрерывателей в них используются скользящие контакты. Основным недостатком таких энкодеров является дребезг контактов, который может приводить к неправильному подсчету сигналов. Кроме того скользящие контакты подвержены износу. Все это ограничивает область применения механических энкодеров.Магнитные энкодеры строятся на базе магниточувствительных элементов, таких как датчики Холла или магниторезистивные датчики. Они просты в изготовлении, лишены недостатков контактных энкодеров и мало чувствительны к внешним факторам. Но все же проигрывают в точности емкостным, индуктивным и оптическим энкодерам.Емкостные энкодеры имеют в своем составе диск асиметричной формы, который при вращении изменяет емкость между двумя электродами. Это изменение регистрируется и используется для определения углового положения. Емкостные энкодеры так же просты в изготовлении и надежны в эксплуатации, из внешних факторов чувствительны только к изменению влажности.Индуктивные энкодеры работают в магнитном поле и используют явление электромагнитной индукции. Благодаря устойчивости к внешним факторам подходят для использования в неблагоприятной среде, когда другие энкодеры могут оказаться ненадежными.Резистивный энкодер работает по тому же принципу что и обычный потенциометр: электрический сигнал на его выходе пропорционален положению ручки энкодера. Собственно и сами потенциометры могут использоваться для отслеживания углового положения, например, их можно увидеть в сервомашинках:

READ  Реферат: проектирование электрической части тэц 180 мвт

Датчики угла поворота – энкодеры, датчики угла наклона – инклинометры

Датчики угла поворота (энкодеры) подразделяются на инкрементальные и абсолютные, которые могут
достигать очень высокого разрешения. Абсолютные энкодеры в свою очередь могут быть как оптические, так и магнитные и могут работать через шинные интерфейсы. Они безусловно отвечают таким требованиям, как точность, надежность, повышенная износоустойчивость в течении длительного периода эксплуатации.

Инкрементальные энкодеры предназначены для определения скорости вращения и угла поворота вращающихся объектов. Они генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют посредством подсчета импульсов от старта. Для вычисления угловой скорости объекта процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга, что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

Абсолютные энкодеры, как оптические, так и магнитные имеют своей основной рабочей характеристикой число шагов, то есть уникальных кодов на оборот и количество таких оборотов, при этом не требуется первичной установки и инициализации датчика. Наиболее распространённые типы выходов сигнала — это параллельный код, интерфейсы Profibus-DP, CANopen, DeviceNet, SSI, LWL, через которые также осуществляется программирование датчиков. Представленные датчики обладают высоким разрешением вплоть до 36 бит.

Оптические энкодеры имеют жестко и закрепленный соосно валу стеклянный диск с прецизионной оптической шкалой. При вращении объекта оптопара считывает информацию, а электроника преобразовывает ее в последовательность дискретных электрических импульсов. Абсолютные оптические энкодеры — это датчики угла поворота, где каждому положению вала соответствует уникальный цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические энкодеры, так же как и инкрементальные энкодеры, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска.

Магнитные энкодеры с высокой точностью регистрируют прохождение магнитных полюсов вращающегося магнитного элемента непосредственно вблизи чувствительного элемента, преобразуя эти данные в соответствующий цифровой код.

Представленные датчики соединяются с вращающимся объектом посредством нормального или полого вала, последний может быть как сквозным, так и несквозным (тупиковым). Вал вращающегося объекта и вал энкодера соединяют механически при помощи гибкой или жесткой соединительной муфты. В качестве альтернативы энкодер монтируют непосредственно на вал объекта, если энкодер имеет полый вал. В первом случае вероятная несоосность и допустимые биения компенсируются деформацией гибкой втулки. Во втором возможна фиксация энкодера посредством штифта.

Общее количество предлагаемых нами продуктов от фирмы Baumer IVO превышает тысячу наименований изделий и покрывает значительную потребность рынка автоматизации. Мы гарантируем нашим клиентам, что при заказе продукции из ассортимента, всегда имеющегося на складе, мы отгружаем в течение 3-4 рабочих дней, а всю продукцию, изготавливаемую на заказ, мы отгружаем в пределах 10 рабочих дней.

  • Таблица значений степеней защиты IP по IEC 60529 (пылевлагозащищенность) (рус.)
  • Иллюстрированные примеры применения энкодеров и счетчиков в промышленности (рус.)

Инкрементальный энкодер — от А до Я

Что такое инкрементальный энкодер?

Импульсный (пошаговый) энкодеротносится к типу энкодеров, которые предназначены для указания направления движения и/или углового перемещения внешнего механизма. Пошаговый (также именуемый инкрементный или инкрементальный) энкодер формирует импульсы, количество которых соответствует повороту вала на определенный угол. Этот тип энкодеров, в отличие от абсолютных, не формирует код положения вала, когда вал находится в покое. Пошаговый энкодер связан со счетным устройством, это необходимо для подсчета импульсов и преобразования их в меру перемещения вала.

READ  Автоматические регуляторы прямого и непрямого действия, непрерывные и дискретные

Конструкция инкрементального энкодера

Инкрементальный энкодер (он же пошаговый 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 оптического инкрементного энкодера

Технология (оптическая и магнитная)

В настоящее время широко распространены две технологии исполнения — оптическая и магнитная. 1. В оптическом энкодере первичным датчиком сигнала является оптический диск (как на картинке выше). Количество черных/прозрачных секторов на диске определяет разрешение оптического инкрементального энкодера, также именуемое как количество меток в обороте. 2. В настоящее время становятся очень популярными магнитные энкодеры. В магнитном энкодере сигнал положения вала формируется датчиком Холла. Данная технология открывает новые возможности, например, программируемое количество импульсов в обороте, причем некоторые производители энкодеров предоставляют такую возможность (программирования) самому Заказчику, что значительно облегчает подбор энкодера для своей конкретной задачи. Так, например, стало простой задачей заменить в оборудовании вышедший из строя энкодер с «экзотическим» числом импульсов в обороте, например, 1234 вместо более привычных 1024. В оптическом энкодере такое разрешение, как упоминалось выше, возможно только при «физическом» наличии нанесенных на диск меток.

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.

Квадратура сигналов инкрементального датчика угла поворота

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 / импульс полного оборота (выход N)

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

Соединительный вал

Для механического соединения вала датчика с внешним механизмом следует использовать специальный гибкий соединитель (эластичную муфту), 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.

Подключение инкрементного энкодера к Ардуино

пример создания такого меню

  • CLK и DT — выводы энкодера, они подтянуты к линии питания резисторами 10кОм;
  • SW — вывод кнопки, при нажатии вывод замыкается на землю;
  • + и GND — линии питания и земли. Данный энкодер является механическим, питание для него не требуется, линии нужны для цепи с подтягивающими резисторами.

Подключим энкодер к Ардуино по следующей схеме:

ссылка

#define pin_CLK 2
#define pin_DT  4
#define pin_Btn 3

unsigned long CurrentTime, LastTime;
enum eEncoderState {eNone, eLeft, eRight, eButton};
uint8_t EncoderA, EncoderB, EncoderAPrev;
int8_t counter;
bool ButtonPrev;

eEncoderState GetEncoderState() {
  
  eEncoderState Result = eNone;
  CurrentTime = millis();
  if (CurrentTime - LastTime >= 5) {
    
    LastTime = CurrentTime;
    if (digitalRead(pin_Btn) == LOW ) {
      if (ButtonPrev) {
        Result = eButton; 
        ButtonPrev = ;
      }
    }
    else {
      ButtonPrev = 1;
      EncoderA = digitalRead(pin_DT);
      EncoderB = digitalRead(pin_CLK);
      if ((!EncoderA) && (EncoderAPrev)) { 
        if (EncoderB) Result = eRight;     
        else          Result = eLeft;      
      }
      EncoderAPrev = EncoderA; 
    }
  }
  return Result;
}

void setup() {
  pinMode(pin_DT,  INPUT);
  pinMode(pin_CLK, INPUT);
  pinMode(pin_Btn, INPUT_PULLUP); 
  Serial.begin(9600);
  counter = ;
}

void loop() {
  switch (GetEncoderState()) {
    case eNone: return;
    case eLeft: {   
        counter--;
        break;
      }
    case eRight: {  
        counter++;
        break;
      }
    case eButton: { 
        counter = ;
        break;
      }
  }
  Serial.println(counter);
}
EncoderA = digitalRead(pin_CLK);
EncoderB = digitalRead(pin_DT);

Использование

Подключение

Датчик использует два стандартных 3-пиновых разъема и подключается в контроллера «Трекдуино». Для подключения одного датчика требуется 2 свободных порта (по одному на каждый канал). Всего можно подключить и использовать до 4 энкодеров.

При подключении датчика следует выбрать, какой из проводов будет «каналом А», а какой — «каналом B». Соответствие каналов и проводов не фиксированное, пользователь сам должен выбрать в зависимости от ситуации, руководствуясь при это правилом: при чтении показаний датчика программа будет принимать за положительное направление вращение от «А» в сторону «В», например:

READ  Инструкция по наладке, проверке и эксплуатации дистанционной защиты дз-503

Программирование

Блоки, необходимые для работы с энкодером, расположены в группе блоков «Датчики».

При использовании энкодеров первым делом необходимо выполнить установку всех подключенных энкодеров в секции с помощью блока в графическом режиме или функции в текстовом режиме.

Изменение переменных, в которых хранятся углы поворота энкодеров, происходит с помощью т.н. механизма прерываний, поэтому эти показания будут меняться даже если программа занята чем-либо, например, выполняет функцию задержки. Поэтому обращаться за показаниями энкодера можно сколь угодно редко, «срабатывания» оптических датчиков пропускаться не будут.

Точность энкодера (минимальный шаг)- 5 градусов.

Значения, возвращаемые блоком , всегда кратны 5 градусам (-20, -15, -10, -5, 0, 5, 10…)

Счетчик (переменная), в которой храниться угол поворота, переполняется при ± 2,147,483,645 градусах (около 6 миллионов оборотов). Впрочем, ресурс самого датчика гораздо меньше

Блок и генерируемая им функция Описание
void setupEnc(int encoder, int chA, int chB)
Выполняет установку энкодера, сообщает программе, к каким портам он подключен. Необходимо вызывать в секции «Установка» для каждого подключенного энкодера.Аргументы: — условный номер энкодера, по которому в дальнейшем к нему будет обращаться функция опроса. — порт IN, к которому подключен провод канала А — порт IN, к которому подключен провод канала B
long getEncDegrees(int encoder)
Возвращает угол поворота определенного энкодера в градусах.Аргументы: — условный номер энкодера, угол поворота которого необходимо сообщить
void setEncToZero(int encoder)
Обнуляет текущие показания по определенному энкодеру, «сбрасывает» счетчик.Аргументы: — условный номер энкодера, показания которого необходимо обнулить

Абсолютный оптический энкодер

Абсолютные энкодеры обычно используются в приложениях с медленным вращением в которых недопустима потенциальная потеря информации о положении. Элементы дискретного детектора в фотоэлектрической матрице индивидуально совмещены с концентрическими дорожками на светопрерывателе, создавая эффект бесконтактной реализации энкодера с щеточными контактами. Назначение отдельной дорожки для каждого бита результирующего разрешения приводит к дискам большего размера (по сравнению с конструкцией инкрементного энкодера) и соответствующему снижению допустимого отклонения при ударе и вибрации. При этом каждая дополнительная дорожка энкодера удваивает разрешение, но учетверяет стоимость датчика.

Принцип действия абсолютного оптического энкодера

Вместо последовательного потока битов, как в инкрементном датчике, абсолютные оптические энкодеры обеспечивают параллельный вывод слова данных с уникальным кодом шаблона для каждого дискретного положения вала. Чаще всего используется код Грея, двоичное и двоично-десятичное кодирование. Характерной особенностью кода Грея (по имени изобретателя Франка Грея из Bell Labs) является то, что только один бит изменяется за раз, помогая избежать тем самым асинхронных неоднозначностей, обусловленными электронными и механическими допусками элементов. С другой стороны, двоичный код постоянно включает множество измененных битов при увеличении или уменьшении счета на единицу. Например, при переходе из положения 255 в положение 0, восемь бит меняются с 1 в 0. Так как нет никакой гарантии, что все пороговые детекторы, являющиеся элементами слежения детектора сработают одновременно, в момент перехода будет присутствовать значительная неопределенность в данной схеме кодирования. Поэтому требуется дополнительный сигнал подтверждения правильности данных, если больше чем один бит изменился между последовательными положениями энкодера.

Поворот 8-битного диска с кодом Грея

На рисунке слева поворот против часовой стрелки на одну позицию становится причиной изменения только одного бита. На рисунке справа такой же поворот двоично-кодированного диска станет причиной изменения всех битов в частном случае (с 255 в 0) иллюстрируя тем самым опорную линию на 12 часов.

Абсолютные энкодеры лучше всего подходят для медленных и/или редких поворотов, таких как кодирование угла поворота рулевого колеса, в отличие от измерения высокоскоростного непрерывного (например, ведущее колесо) вращения, которое потребует вычисления смещения вдоль всего пути движения. Хотя и не столь надежны как резольверы для высокотемпературных или в приложениях с высокой ударной стойкостью, абсолютные энкодеры могут работать при температурах свыше 125 градусов и средним разрешением (1000 отсчетов на оборот). Потенциальным недостатком абсолютных энкодеров является их параллельный вывод данных, который требует более сложного интерфейса из-за большего количества проводов. 13-битный абсолютный энкодер, использующий  дополнительные выходные сигналы для помехоустойчивости потребует 28-жильный кабель (13 сигнальных пар плюс питание и заземление) вместо шести в случае с резольвером или инкрементным энкодером.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: