Комплементарный выход энкодера что это
- Линейные направляющие
- Линейные направляющие HIWIN
- Сервотехника и сервопривод
Энкодер — это прибор, преобразующий линейное или угловое перемещение в электрические сигналы, позволяющие определить величину этого перемещения.
В последнее время название этих приборов – «энкодеры» утвердилось, и стало общеупотребимым. Мы не беремся здесь и сейчас обсуждать преимущества или недостатки названия «Энкодеры», а также его правильность. Просто говорим, что это название утвердилось и все заинтересованные лица понимают о чем идет речь. Перечень прежних названий этих приборов был весьма разнообразен: фото-импульсные датчики, ФИДы, датчики угловых перемещений, ДУПы, преобразователи фотоэлектрические, преобразователи вращения (например, ЭНИМС-овский ВЕ178) и т д. В настоящее время даже такой значительный российский производитель датчиков перемещения, как СКБ ИС, в скобках, после названия «Преобразователь перемещения», использует слово «Энкодер». Будем и мы далее использовать данное название.
Различают инкрементные энкодеры, абсолютные энкодеры, аналоговые энкодеры и резольверы. Первые три вида бывают магнитными и оптическими, в зависимости от физического процесса, позволяющего осуществить преобразование угла или перемещения в электрический сигнал. Резольверы – датчики угловых перемещений на основе вращающихся трансформаторов. Как правило, к ним название «энкодер» не употребляют.
Инкрементные энкодеры (от англ. increment «увеличение, приращение») на своем выходе формируют последовательность импульсов, которые поступают на счетные или другие приемные устройства, и число импульсов или их фронтов подсчитывается. Сразу же после подачи питания измеряемое положение неизвестно, поскольку на выходе инкрементального энкодера имеется информация лишь о приращении положения. После включения, для привязки счета к началу системы координат механизма или станка, запускается процедура «выхода в ноль» (Homing). Система совершает пробное движение и находит некие нулевые реперные точки. В момент прохождения через эти точки задается привязка к началу координат. После этого момента подсчет импульсов с выхода энкодера позволяет точно определить положение исполнительного механизма, но только в том случае, если высокая частота импульсов или помехи позволяют это сделать. Сбой подсчета импульсов с выхода инкрементального энкодера приводит к ошибкам перемещения, к неработоспособности системы в целом, и требует, по меньшей мере, повторного «выхода в ноль».
Выходной сигнал инкрементального энкодера может представлять собой две последовательности прямоугольных импульсов в форме меандры, сдвинутых друг относительно друга на четверть периода. Последовательности обозначаются обычно латинскими буквами A и B. Знак угла сдвига между A и B определяет направление движения. Третий выход инкрементального энкодера формирует короткий импульс, называемый ноль-меткой (Z-меткой, индексом), который строго привязан к определенному месту положения ротора энкодера. Эта ноль-метка часто используется системой точного перемещения в процедуре «выхода в ноль».
В случае, если инкрементальный энкодер имеет высокую разрешающую способность (например, 17 bit или 20 bit), то нет возможности передать высокочастотный сигнал на вход приемного устройства и потом его подсчитать. В этом случае поступают следующим образом. Предварительный подсчет импульсов производят в самом энкодере, а последующим устройствам передается информация о положении с помощью фреймов (сообщений) по последовательной цифровой сети. Описанный выше способ часто используют в высокоточных сервоприводах.
И еще одно замечание, на которое хотелось бы обратить внимание при рассмотрении инкрементальных энкодеров. В специальных энкодерах, предназначенных для работы с некоторыми сервоприводами, кроме обычных последовательностей импульсов A, B и Z имеется три дополнительных выхода, на которых формируется сигналы о положении ротора вращающегося синхронного серводвигателя. Выходы обычно имеют названия U,V,W (иногда HA,HB,HC). Такой специальный энкодер невозможно заменить обычным энкодером с выходами A, B и Z. Понять, имеются ли у запрашиваемого Клиентом энкодера дополнительные выходы U,V,W можно по документации к конкретному сервоприводу, где такая информация, как правило, имеется. Или по количеству выводов, которых у спец энкодеров не меньше 15.
Абсолютные энкодеры. По выходной информации таких энкодеров можно судить о положении его ротора независимо от того отключалось ли его питание или нет. Различают однооборотный абсолютный энкодер и многооборотный.
Однооборотный абсолютный энкодер преобразует угол поворота вала энкодера в цифровой код. Причем каждому положению внутри оборота соответствует свое значение кода. Форма представления цифрового кода может быть различной: параллельный код (двоичный, двоично-десятичный, Грея и др.) и последовательный код, когда информация о положении содержится в цифровых сообщениях, формируемых на выходе энкодера (например, с помощью протоколов SSI, BiSS, CAN Open и др.)
Многооборотный абсолютный энкодер формирует информацию о положении не только внутри оборота, но и подсчитывает ещё количество полных оборотов вала энкодера. Количество полных оборотов, которое запоминает в своей памяти такой энкодер, может достигать величины в несколько сотен тысяч. Форма представления цифрового кода – последовательный и/или параллельный код.
Весьма часто, в сервоприводах многооборотный абсолютный энкодер используется совместно с внешней аккумуляторной батареей, подключенной к специальным клеммам этого энкодера. Без батарей память о положении привода после отключения питания теряется. И такой энкодер без батареи используется как инкрементальный энкодер.
Аналоговый энкодер. Выходной сигнал аналогового энкодера представляет собой две последовательности синусоидальных сигналов, сдвинутых друг относительно друга на фазный угол 90°. Амплитуда сигналов составляет 0.5В (размах колебаний Upp – 1В). Всего сигналов 4, поскольку каждая последовательность представлена прямым и инверсным сигналами (два дифференциальных выхода). В паспортных данных к энкодеру всегда указывается количество периодов синусоидальных сигналов на оборот вала или длина соответствующая периоду для линейных аналоговых энкодеров.
С помощью последующей совместной обработки двух синусоидальных выходных сигналов (с помощью метода интерполяции) можно получить высочайшую разрешающую способность, которая в тысячи раз точнее, чем период этих выходных сигналов (коэффициент мультипликации может достигать значения 4096).
Аналоговые энкодеры используются, как правило, в высокоточных прецизионных системах позиционирования.
Резольвер. Или, так называемый, вращающийся трансформатор. Резольвер имеет входную обмотку возбуждения, на которую извне подается сигнал с высокой частотой (единицы или десятки килогерц). На двух выходных обмотках формируются сигналы с амплитудой и фазой, которые зависят от положения ротора резольвера. С помощью последующей обработки двух выходных сигналов (с помощью метода интерполяции) можно получить информацию о положении ротора резольвера.
Некоторые известные европейские производители электроприводов используют резольверы, как основной датчик обратной связи сервосистем. Китайские производители отдают предпочтение (на данный момент) энкодерам на валу серводвигателей.
Отсутствие электронных элементов в самом резольвере, позволяет обеспечить повышенный температурный диапазон работы и большую механическую прочность этого датчика по сравнению с энкодерами, содержащими электронные компоненты.
Энкодеры обладают некоторыми характеристиками, значение и смысл которых представлены ниже.
- Напряжение питания энкодера. Через кабель энкодера напряжение питания подается на соответствующие шины внутри энкодера. Однако в особо продвинутых конструкциях имеются две дополнительные клеммы, соединенные с этими же шинами и используемыми для обратной связи в целях поддержания стабильного напряжения питания и компенсации падения напряжения на длинном кабеле. Напряжение питания указано на паспортной табличке энкодера и является обязательной вводной информацией от Клиента при формировании заказа. Наиболее распространёнными напряжениями питания энкодеров являются: 5В±5% и 12 — 24В.
- Диаметр корпуса и вид соединительного фланца энкодера. Энкодеры, как правило, имеют фланцевое исполнение. Энкодер «на лапах» — это экзотика. Фланцы могут быть прижимные, зажимные (с выступающей центральной частью цилиндрического вида) и сервофланец (с проточкой по внешней цилиндрической стороне фланца под специальные крепежные пластины). Что касается диаметра корпуса, то, как рекомендацию, можно предложить, что не стоит гнаться за уменьшением геометрических размеров корпуса, где это не вызвано крайней необходимостью.
- Вид выходного вала энкодера. Различают выступающий и полый вал. Полый вал может быть как сквозной, так и глухой. Диаметры выступающего вала или отверстия полого вала должны определяться Клиентом. Кроме того, необходимо учесть, что если вал у энкодера полый и энкодер надевается на выступающий вал механизма, то крепление корпуса энкодера к корпусу механизма должно быть не жестким, с помощью специальных пружинных кронштейнов. При использовании энкодеров с выступающим валом, его корпус закрепляется жестко, а соединение с валом механизма производится через специальную компенсационную муфту. Муфты и кронштейны часто входят в комплект поставки энкодеров.
- Количество импульсов на оборот. Это разрешающая способность энкодера. Причем эту величину не следует путать с инструментальной точностью энкодера, которая всегда хуже, чем разрешающая способность. При формировании заказа информацию о требуемом количестве импульсов на оборот или требуемой точности измерения положения необходимо получить от Клиента.
- Количество выходных фаз энкодера. У инкрементальных энкодеров бывает от двух (A,B) до шести фаз выходных сигналов (A, B, Z и инверсии этих сигналов /A, /B, /Z). У инкрементальных энкодеров с последовательным выходом и абсолютных энкодеров количество выходов может быть различным и зависеть от способа формирования выходных сигналов у конкретного прибора.
- Тип выхода энкодера. Выходное напряжение энкодеров может формироваться отдельными транзисторами, либо специальными микросхемами – линейными драйверами. Драйверы формируют прямые и инверсные выходные фазные сигналы и обеспечивают помехозащищенную передачу этих сигналов на значительные расстояния. Причем с применением линейных драйверов диапазон частот выходных импульсов значительно расширяется по сравнению со случаем формирования выходных сигналов с помощью транзисторов. При использовании линейных драйверов количество выходных фаз – всегда 6.
Транзисторные выходы часто используются для недлинных линий передач информации от энкодеров. Бывают комплементарные (двухтактные) транзисторные выходные схемы (по-корейски и по-китайски – Totem pole, по-европейски – Push Pull) и транзисторные схемы с открытым коллектором (OC, NPN). Остальные выходные транзисторные схемы используются значительно реже. Для Клиентов имеет смысл рекомендовать комплементарный транзисторный выход энкодеров, как наиболее универсальный.
- Наличие кабеля и/или разъёма. Наличие кабеля, разъёма на корпусе, или кабеля с разъёмом определяется требованиями Клиента. Следует заметить, что если кабель энкодера удлиняется, то в удлиняющем куске нельзя произвольно использовать имеющиеся там провода. Наилучшим, с точки зрения обеспечения работоспособности и помехозащищенности, является удлинение специально предназначенным для этого кабелем с витыми парами и толстыми проводами для питания энкодера. Через каждую витую пару передаются сигналы только от одной из фаз, прямой и инверсный. Особенно важно учитывать это замечание при работе с резольверами, где имеется дополнительное требование экранирования не только всего кабеля, но и каждой витой пары проводов.
- Степень защиты корпуса. Определяет защиту корпуса от проникновения внутрь твердых предметов, пыли, а также воды. Защита обозначается двумя цифрами после латинских букв IP. Чем больше цифры, тем сильнее защита. Отметим здесь, что последняя цифра определяет степень защиты от проникновения воды, а не керосина, СОЖ, масла. Проникающая способность последних намного выше, чем у воды, и это надо учитывать при подборе энкодеров.
Выбор энкодера по числу импульсов на оборот. Чем больше число импульсов, тем выше разрешающая способность энкодера и с тем большей точностью можно измерить положение. Однако, излишнее, завышенное количество импульсов приводит к недопустимо высокой частоте сигналов на выходе энкодера и невозможностью из-за этого считать импульсы.
Выбор энкодера по форме выходного вала. Форма вала (полый вал или выступающий вал) должна определяться Клиентом.
Выбор энкодера по амплитуде выходного сигнала. Как правило, на выходе энкодера различают сигналы типа HTL – сигналы с высоким уровнем напряжения (от 12 до 30В) или типа TTL – логические сигналы с низким уровнем (от 2.4 до 5В). Как правило, тип сигнала определяется уровнем напряжения питания энкодера. Требуемый тип сигнала, а, следовательно, и требуемое напряжение питания зависят от аппаратуры, которая считывает сигналы с выхода энкодера, а может быть и запитывает его.
Выбор по размерам корпуса энкодера. Встречаются задачи, для решения которых необходимо вписать энкодер в ограниченное пространство. В этом случае диаметр корпуса должен быть соответствующий. Во всех других случаях следует выбирать энкодеры с диаметром корпуса не менее 40мм. Кроме того, необходимо выбрать тип фланца, рассмотрев возможность удобного крепления корпуса энкодера на установке.
Выбор энкодера по наличию разъёма. Встречаются задачи, когда для последующего демонтажа или по другим причинам требуется наличие электрического разъёма на энкодере. Если таких специальных требований нет, то следует выбрать энкодер с кабелем.
Выбор энкодера по степени защиты корпуса. Защита энкодера от воздействия условий окружающей среды – важный вопрос. К этому вопросу следует подойти с особой тщательностью, если при эксплуатации на энкодер может попадать вода, другие жидкости, или энкодер может быть установлен в пыльном помещении. Кроме того, в некоторых случаях возникает задача подобрать ударопрочный и вибростойкий энкодер. В любом случае, требуемую защиту корпуса энкодера следует подбирать исходя из требований сформулированных Клиентом и технического описания энкодера.Энкодер инкрементальный
Датчики угла поворота (энкодеры) предназначены для преобразования угла поворота вала в импульсы и отслеживания положения вращающегося вала. Контроллер может анализировать выходной сигнал энкодера и определять положение и количество оборотов машины. Это позволяет обеспечить высочайшую точность и функциональную гибкость управления работой системы. Высокие механические и электронные рабочие скорости, на которых работают оптические энкодеры, позволяют добиться более высокой производительности и точности работы системы, а также уменьшить время цикла и повысить общую эффективность технологического процесса. Энкодер является обратной связью при эффективном управлении приводом.
При заказе энкодеров необходимо указать следующие параметры:
- разрешение (имп/об). При выборе разрешения необходимо помнить, что частота вращения при максимальной частоте импульсов должна быть меньше или равна значению максиально допустимой частоты вращения: Частота вращения при макс. частоте импульсов (об/мин)=(Макс. частота отклика / Разрешение)*60 с
- максимальная частота отклика
- напряжение питания
- вал (полый либо выступающий)
- диаметр вала энкодера
- диаметр корпуса энкодера
- выход управления (комплементарный выход, NPN-выход с открытым коллектором, выход напряжения, выход Line Driver)
Line Driver (Дифференциальный выход, RS-422) необходимо использовать в условиях, для которых высока вероятность возникновения помехи и можно ожидать наводок на сигнальные провода, или при очень длинных соединительных проводах. В данном случае помимо основного добавляется второй выход, осуществляющий инверсию выходного сигнала. Для обработки двух сигналов необходимо иметь соответствующий приёмник в измерительной схеме.
Комплементарный (каскадный, двухтактный ) выход (Push—Pull, Totem Pole). Этот тип выхода построен на транзисторах разпичной (п-р-п и р-п-р) проводимости и имеет малое выходное сопротивление (как в состоянии логического нуля, так и в состоянии логической единицы), что позволяет увеличить ток, отдаваемый в нагрузку. Таким образом повышается нагрузочная способность и ускоряются процессы заряда и разряда ёмкости нагрузки, а следовательно, растёт быстродействие.
Выход с открытым коллектором (Open Collector). Такой тип выхода позволяет получить сигнал с уровнем напряжения, определяемым не величиной напряжения питания энкодера, а величиной напряжения дополнительного источника питания. Для этого необходимо между цепями питания и выходом подключить внешний резистор, величина сопротивления которого определяется значением напряжения дополнительного источника питания.
Также возможно включение нагрузки между выходом энкодера и дополнительным источником питания. Ток нагрузки (/ ) в этом случае сохода с открытым коллектором позволяет также подключать при необходимости несколько энкодеров к одному счётному входу.
Выход по напряжению (Voltage Output). Выходной сигнал с уровнем напряжения, определяемого величиной напряжения питания энкодера, можно напрямую подавать на измерительную схему. Ток нагрузки в данном случае составляет не более десятка миллиампер. При подключении сигнала энкодера к нескольким устройствам одновременно (например, к ПЛК и частотному преобразователю) нельзя превышать допустимую нагрузочную способность выходного каскада. Недостатком этого типа выхода является большое выходное сопротивление в закрытом состоянии транзистора VT1, определяемое сопротивлением в цепи коллектора, составляющим порядка тысяч Ом. Как следствие, ток, отдаваемый в нагрузку, уменьшается, и увеличивается время заряда ёмкости нагрузки, что снижает общее быстродействие.
Значение уровня выходных сигналов для некоторых типов инкрементных(-тальных) инкрементных энкодеров может также обозначаться как TTL (соответствует напряжению питания 5 В) или HTL (соответствует напряжению питания в дипазоне от 10 до 24 В). Обычно для подачи сигналов на дискретные входы ПЛК используются сигналы с напряжением 24 В.
Типы выходных сигналов энкодеров
На основе анализа технической документации производителей энкодеров, в частности, можно предложить следующую классификацию инкрементных энкодеров по типам выходных каскадов. 1. Выход по напряжению (Voltage Output). Выходной сигнал с уровнем напряжения, определяемого величиной напряжения питания энкодера, можно напрямую подавать на измерительную схему. Ток нагрузки в данном случае составляет не более десятка миллиампер. При подключении сигнала энкодера к нескольким устройствам одновременно (например, к ПЛК и частотному преобразователю) нельзя превышать допустимую нагрузочную способность выходного каскада. Недостатком этого типа выхода является большое выходное сопротивление в закрытом состоянии транзистора VT1, определяемое сопротивлением в цепи коллектора, составляющим порядка тысяч Ом. Как следствие, ток, отдаваемый в нагрузку, уменьшается, и увеличивается время заряда ёмкости нагрузки, что снижает общее быстродействие.
2. Выход с открытым коллектором (Open Collector). Такой тип выхода позволяет получить сигнал с уровнем напряжения, определяемым не величиной напряжения питания энкодера, а величиной напряжения дополнительного источника питания. Для этого необходимо между цепями питания ((/пит) и выходом подключить внешний резистор, величина сопротивления которого определяется значением напряжения дополнительного источника питания.
Также возможно включение нагрузки между выходом энкодера и дополнительным источником питания. Ток нагрузки (/ ) в этом случае сохода с открытым коллектором позволяет также подключать при необходимости несколько энкодеров к одному счётному входу.
3. Двухтактный (каскадный, комплементарный) выход (Push—Pull, Totem Pole). Этот тип выхода построен на транзисторах рахпичной (п-р-п и р-п-р) проводимости и имеет малое выходное сопротивление (как в состоянии логического нуля, так и в состоянии логической единицы), что позволяет увеличить ток, отдаваемый в нагрузку. Таким образом повышается нагрузочная способность и ускоряются процессы заряда и разряда ёмкости нагрузки, а следовательно, растёт быстродействие.
4. Дифференциальный выход (Line Driver, RS-422). В данном случае помимо основного добавляется второй выход, осуществляющий инверсию выходного сигнала. Для обработки двух сигналов необходимо иметь соответствующий приёмник в измерительной схеме (рис. 7). Такой тип выхода используется в условиях, для которых высока вероятность возникновения помехи и можно ожидать наводок на сигнальные провода, или при очень длинных соединительных проводах.
Значение уровня выходных сигналов для некоторых типов выходов инкрементных энкодеров может также обозначаться как TTL (соответствует напряжению питания 5 В) или HTL (соответствует напряжению питания в дипазоне от 10 до 24 В). Обычно для подачи сигналов на дискретные входы ПЛК используются сигналы с напряжением 24 В.
Энкодер: устройство и примеры работы
Нередко статьи у меня на блоге тесно связаны с промышленным оборудованием. На этот раз я подробно рассматриваю энкодер – очень важное устройство, без которого не обходится ни одна солидная производственная линия. А почему энкодер столь важен, будет понятно из моей статьи. Разберём подключение энкодера, его работу, устройство и монтаж. Как обычно в таких статьях, будут реальные примеры работы энкодеров в различных узлах оборудования. И, конечно же, будет много фотографий, сделанных мною лично.
Итак, для начала –
Что такое энкодер?
Энкодер – это электронный датчик, который механически крепится на какой-либо вращающейся детали. Обычно корпус энкодера остается неподвижным, а вращается только его вал. Это позволяет с необходимой точностью измерять разные параметры :
- скорость вращения,
- расстояние (длину),
- направление вращения,
- угловое положение по отношению к нулевой метке.
Энкодер является самым распространенным «измерительным инструментом» в современном промышленном оборудовании. Фактически энкодер является датчиком обратной связи, на выходе которого цифровой сигнал меняется в зависимости от его вращения или от угла его поворота. Этот сигнал обрабатывается в счетчике или контроллере, который выдает команды на устройство индикации или привод.
Этикетка инкрементного энкодера Sick, установленного на валу двигателя постоянного тока. Основной параметр – 1024 импульса на оборот
Энкодеру найдено множество применений, учитывая возможности последующей обработки его сигнала. Например – измерение погонной длины какого-либо материала, измерение угла открытия/закрытия задвижки, точное позиционирование деталей при перемещении и обработке. Конкретные примеры будут ниже.
Энкодеры, о которых идёт речь в статье, в некоторых источниках называются датчиками углового перемещения, датчиками угла поворота, и даже “N-кодером”.
А вообще энкодер – это любое устройство, которое преобразовывает или декодирует какой-то сигнал или информацию.
Принципы работы и устройство энкодеров
Существует два вида энкодеров по конструкции и виду выходного сигнала – инкрементальный (инкрементный) и абсолютный.
Инкрементальный энкодер устроен проще сравнению с абсолютным, и используется в большинстве случаев. Такой энкодер можно представить как диск с прорезями, который просвечивается оптическим датчиком. При вращении этого диска датчик будет активироваться или деактивироваться зависимости от своего положения над прорезью. В результате на выходе энкодера формируется последовательность дискретных импульсов, частота которых зависит от разрешения энкодера и его частоты вращения.
СамЭлектрик.ру в социальных сетях:
Подписывайтесь! Там тоже интересно!
Например, если энкодер закреплен на валу асинхронного двигателя, который вращается с частотой 1500 оборотов в минуту, то при разрешении энкодера 1000 импульсов на оборот частота выходных импульсов будет равна 25 кГц.
Разрешение и максимальная частота вращения обратнозависимы – на практике частота выходных импульсов не может исчисляться гигагерцами. Обычно выходная частота ограничена значением около 500 кГц. Да и не всякий контроллер “скушает” такую частоту. Делаем вывод: энкодер с разрешением 1000 имп/оборот (наиболее распространенный) не может крутиться с частотой выше 500 Гц или 30000 об/мин. Но такие скорости в механике я лично не встречал. Делаем второй вывод: высокое разрешение не всегда хорошо.
UPD 18 мая 2022: Вот, что написал по этому поводу читатель в группе ВК СамЭлектрик.ру: Если надо частоту меньше: энкодеры (не все) имеют выход нулевой точки Z – один короткий импульс на оборот. Если нужно разрешение больше – у энкодера два сигнала А и В, сдвинутых на четверть периода, по этому сдвигу определяется направление вращения. Многие ПЛК и некоторые приводы имеют квадратурные счетчики, позволяющие работать с обоими сигналами и даже по обоим фронтам, для тысячника это 2000 и 4000 отсчетов за оборот соответственно.
Пример, поясняющий работу энкодера:
Конструкция, поясняющая работу оптического энкодера
На фото – не энкодер, но данная конструкция в первом приближении прекрасно иллюстрирует работу и устройство инкрементального оптического энкодера. Про щелевой оптический датчик я писал в статье про оптические датчики, там подробнее.
Бич подобных конструкций – при механической поломке, связанной со смещением диска (или другого активатора), датчик легко ломается… В энкодере такого не может быть – там всё надёжно закреплено и защищено.
Основной минус инкрементального энкодера – необходимость непрерывной обработки его выходного сигнала. Кроме того, чтобы узнать положение инкрементального энкодера после подачи на него питания, необходимо провести инициализацию для поиска нуль-метки (что это такое – расскажу позже) либо для поиска нулевого положения механизма.
Абсолютный энкодер имеет более сложное устройство, но он позволяет определить угол поворота в любой момент времени, даже в неподвижном состоянии механизма сразу после включения питания. Говоря простыми словами, выходной сигнал у него – это параллельный код (например, 8-разрядный, имеющий 256 значений), который соответствует углу поворота. Соответствующую конфигурацию имеют и прорези в диске энкодера.
Абсолютные энкодеры работают в сложном оборудовании – там, где в любой момент времени (в том числе, в момент подачи питания) нужно знать точное положение объекта. Но сейчас, с появлением дешевых контроллеров с энергонезависимой памятью, в 99% используются инкрементальные энкодеры. Тем более учитывая, что их цена в несколько раз ниже, чем у абсолютных. Да и обрабатывать последовательные импульсы гораздо проще, чем параллельный код.
Использовать абсолютный энкодер для определения скорости вращения – всё равно, что использовать мощный настольный компьютер только для прослушивания музыки в ВК.
Бывают энкодеры не оптического принципа работы. Но я про них ничего рассказывать не буду, поскольку не имел с ними дела..
Подключение энкодера
Энкодер никогда не работает сам по себе. Он всегда подключается к устройству обработки сигналов, с помощью которого можно переварить и проанализировать импульсы на его выходах. Подключить энкодер легко – ведь это фактически датчик с транзисторными выходами. В простейшем случае, выход энкодера можно подключить ко входу счетчика, и запрограммировать его на измерение скорости или длины.
Но чаще всего выходные сигналы энкодера обрабатываются в контроллере. А далее путем расчетов можно получить информацию о скорости, направлении вращения, ускорении, положении объекта.
Энкодеры подключают не только к контроллеру. Он также может подключаться к преобразователю частоты, питающему электродвигатель. Таким образом , появляется возможность точного позиционирования, а также поддержания нужной скорости и момента вращения двигателя без использования контроллера. Это называется векторным управлением.
Сигналы и выходы инкрементального энкодера
Импульсы на выходе энкодера – один канал
Период Т – величина, обратная частоте, а про частоту мы говорили выше. Уровень “Н” – это напряжение, почти равное напряжению питания (обычно 5, 12, или 24 В). Уровень “L” – около нуля.
Само собой, реальные импульсы не столь идеальны – у них может гулять скважность и будут завалены фронты.
Что может рассказать нам такой энкодер? Только о скорости и погонных метрах. Например, его можно применять для определения частоты вращения двигателя, или длины материала после нажатия кнопки “Сброс”. Неплохо, но хочется большего!
Если будет два выхода, импульсы на которых (оптическим способом) сдвинуты на четверть периода, мы сможем узнать направление вращения:
Импульсы каналов А и В с фазовым сдвигом
Такие выходы со сдвигом фаз на четверть периода называются квадратурными каналами. Этот приём широко применяется в радиотехнике и электронике не только для определения направления вращения, но и для определения знака рассогласования частот (больше или меньше опорной частоты?).
Если сдвиг фаз положительный (фаза В отстает), можно условиться о прямом вращении. Если отрицательный (фаза В опережает фазу А на четверть), значит, вращение в обратном направлении. Два этих сигнала с одной частотой и фазой ±90° подаются на триггер, выход которого однозначно указывает о направлении вращения.
Ничего это не напоминает? В энкодере – двухфазная система, со сдвигом фаз 90°, в электрощите – трехфазная система, со сдвигом фаз 120°. Для смены направления вращения трехфазного двигателя достаточно поменять местами любые две фазы.
Со скоростью, расстоянием и направлением разобрались, а что делать, если нужно узнать угол поворота? Для этого вводится сигнал “Z” (Zero) – опорный импульс, который также называют нуль-меткой или референсной меткой:
Выходы энкодера А, В с нулевой меткой Z
Импульс “Z” имеет длительность Т (бывает и другая длительность – T/2, или 2Т) и проскакивает 1 раз за оборот вала энкодера. Иными словами, длительность нулевой метки может быть в тысячи раз короче периода вращения вала энкодера.
В современных датчиках каждая фаза (канал) обычно имеет ещё один, противофазный выход.
С теорией заканчиваем, плавно переходим к практике.
Монтаж энкодеров
По монтажу сразу скажу главное – вал энкодера по отношению к валу механизма должен быть надежно зафиксирован! Обычно это делается при помощи шестигранных винтов.
Бывали случаи, когда из-за проскальзывания самодельных и даже штатных муфт глючили производственные линии, и мы долго не могли найти причину – ведь всё остается исправным!
Монтироваться энкодер может и на валу двигателя, и на валу любого другого механизма – это не принципиально, и зависит лишь от конструкции и требований к точности выполнения поставленной задачи.
Вал энкодера никогда не будет соосным с вращающимся валом (вспомните, для чего нужен карданный вал). Поэтому используются специальные заводские переходные муфты, нужно надежно их крепить и периодически проверять качество монтажа.
Энкодер механически соединен с приводом через соединительную муфту для компенсации несоосности
Корпус любого энкодера всегда неподвижен. Вращается только его внутренняя подвижная часть.
Существуют энкодеры с полым валом, которые надеваются непосредственно на измеряемый вал и там фиксируются. Там даже нет такого понятия, как несоосность. Их гораздо проще монтировать, и они надежнее в эксплуатации. Чтобы энкодер при этом не прокручивался, используется лишь металлический поводок. На фото ниже показан энкодер с полым валом (обозначен В21.1), надетый на вал редуктора:
Энкодер с полым валом, надет на вал редуктора
Обратите внимание – корпус энкодера целиком и полностью держится на валу редуктора. От проворачивания его держит металлический поводок. При работе энкодер обычно немного покачивается по овальной траектории, это нормально, поскольку идеал существует только на картинках в даташитах и учебниках.
Бывают сквозные полые валы, когда ось механизма проходит через энкодер насквозь.
Подключение и работа энкодеров. Реальные примеры.
Ниже я рассмотрю несколько примеров использования энкодеров в реальном оборудовании.
Измерение скорости полотна
В данном примере, инкрементальный энкодер ELCO используется для измерения скорости бумажного полотна при производстве бумаги. Энкодер закреплен на бумаговедущем валу через муфту, скорость вращения которого однозначно говорит о скорости бумаги.
При помощи системы «энкодер+контроллер» можно вычислить мгновенную скорость, а также погонную длину произведенной продукции.
Энкодер работает на бумаговедущем валу
или другой ракурс:
Энкодер ELCO работает на бумаговедущем валу. Корпус энкодера закреплен жестко, стыковка валов – через компенсирующую муфту
Минус такой установки – при механической поломке вала (а это бывало уже не раз, изнашиваются подшипники) ломается либо муфта, либо сам энкодер.
Положение деталей на конвейере
В этом случае энкодер насажен на вал двигателя, подключенного через преобразователь частоты. Двигатель через редуктор передает движение на конвейер, по которому движутся заготовки деталей.
Положение детали на конвейере, позиционирование при помощи энкодера на двигателе
С помощью энкодера и оптических датчиков, фиксирующих просвет между образцами продукции, контроллер с большой точность может управлять обработкой деталей.
При этом направление знать не обязательно (оно всегда одно), и могут применяться энкодеры без ноль-метки:
Энкодер для определения только скорости вращения
По моему мнению, насаживание энкодера на вал двигателя – не очень хорошая идея в смысле того, что энкодер крутится на больших оборотах (до 3000 об/мин). Кроме повышенного механического износа, необходимо предусмотреть обработку сигналов со сравнительно высокой скоростью. Но сегодня, с развитием промышленной электроники, это не проблема.
Крепление энкодера на валу двигателя позволяет очень точно контролировать скорость привода. С появлением высокооборотистых энкодеров многие производители наладили выпуск двигателей со встроенным энкодером.
Если интересно применение ПЧ в конвейерах, вот моя статья на Дзене, где я подробно рассматриваю схему включения ПЧ для конвейера.
Ещё пример точного позиционирования при помощи энкодера для двигателя:
Энкодер – работа на валу двигателя со стороны крыльчатки
В этом случае двигатель приводит в действие цепную передачу лифта, подающего заготовку на обработку. Точность позиционирования лифта – порядка 1 мм, длина пути – более 2 м.
Перемещение детали
Ещё большую точность, чем в предыдущем случае, можно получить, если вал энкодера закрепить на ходовой винт с резьбой.
На фото сверху вниз – направляющая, ходовой винт, кабель к энкодеру
Если на ходовой винт закрепить гайку, которая механически скреплена с перемещаемой деталью (в реальном примере это – металлическая заготовка, которая рубится или гнётся по нужному размеру), то с помощью энкодера можно до долей миллиметра узнать её положение. Точность вычисления будет зависеть от шага резьбы и разрешающей способности энкодера.
Минус такого решения – при большой скорости возможен «промах», и нужно либо уменьшать скорость при приближении к цели, либо постоянно двигаться на низкой скорости. Кроме того, механика тоже должна быть точной, чтобы исключить любые люфты и перекосы.
Перемещение упора
Задача стоит в принципе такая же, как и в предыдущем случае. Но тут другой принцип перемещения – за счет зубчатой передачи:
Зубчатая передача перемещения каретки
Плюс данной реализации в том, что энкодер насажен непосредственно на зубчатое колесо, которое осуществляет передачу вращения. При большом разрешении энкодера и отсутствии механических люфтов можно добиться очень высокой точности позиционирования.
Использование энкодера совместно с винтовой и зубчатой передачей позволяет достичь высокой точности обработки деталей в станках с ЧПУ.
Вычисление точной координаты
В производстве полиграфической продукции иногда нужно нанести клей (или краску) в точное место. Когда печатная продукция (например, коробки или конверты) движутся по ленточному конвейеру, при помощи оптического датчика определяется начало коробки, затем контроллер при помощи энкодера вычисляет нужную координату, и включает подачу клея.
Вычисление точной координаты при помощи измерительного колеса
Формируется клеевая дорожка нужной длины, затем клей выключается. Далее коробка подается на фальцовочный узел, где складывается и склеивается. При этом скорость работы линии может достигать до 300 коробок в минуту.
Системы дозирования
Для точного открытия заслонки в системе дозирования жидкостей служит система, состоящая из двигателя с редуктором, на вал которого с одной стороны закреплена задвижка, с другой – энкодер.
Поворот на определенный угол при помощи энкодера
Поворот вала редуктора на угол не более 180° ограничен индуктивными датчиками приближения, а точное положение определяется по сигналу от энкодера. В исходном состоянии задвижка закрыта, и датчик минимального положения активен. Это состояние принимается за ноль. Далее включается двигатель, и вал поворачивается. Точный угол поворота пропорционален количеству импульсов от энкодера обратной связи. В данном случае энкодер не делает полный оборот, его движение ограничено датчиками.
Датчики активируются кулачками, которые закреплены (и могут корректироваться шаловливыми ручками)) на том же валу, что и энкодер.
При выключении питания положение энкодера (а значит, и задвижки) запоминается в памяти контроллера. В случае необходимости оператор может провести инициализацию (установку нулевого и максимального положения) за счет индуктивных датчиков. Опорная “Z” – метка при этом не используется.
Защита двигателя
Даже при перегрузке двигателя его скорость понижается, скольжение есть всегда, даже на холостом ходу. Но изменение тока при этом ничтожно. Особенно (например), если двигатель работает на застрявшую продукцию через редуктор.
Поэтому, очень удобно использовать энкодер, закрепленный на валу двигателя, для определения повышенного скольжения. А значит – перегрузки двигателя.
У меня на Дзене есть статья, как энкодер защищает двигатель от перегрузки, там тема раскрыта подробнее.
Вот фото оттуда:
Энкодер, механическая поломка из-за смещения двигателя
Энкодер перестал выдавать импульсы (перегрузки, правда, не было), и тут же контроллер выдал сообщение:
Сообщение на экране оператора о поломке энкодера
Запоминающие энкодеры
Энкодеры умнеют на глазах. В американской линии довелось иметь дело с серводвигателем, в состав которого входит энкодер с памятью.
Энкодер в составе серводвигателя с памятью
Энкодер не простой – у него в памяти зашиты параметры серводвигателя (их более сотни), которые он каждый раз при включении питания передает к центральный контроллер. Из-за заводского брака энкодер был плохо закреплён, и начал тереться о корпус двигателя, что привело к нарушению синфазности вращения двигателя и энкодера. Американцы дистанционно заново программировали этот энкодер, чтобы можно было запустить линию. Но это уже совсем другая история…
Резольвер
Совсем коротко о резольвере. По сути он выполняет те же функции, что и энкодер – может вычислять скорость и направление вращения двигателя. Но резольвер – аналоговый измерительный прибор. В некоторых случаях он гораздо точнее говорит об угле поворота, поскольку фактически речь идет о вычислении сдвига фаз на его выходах.
Реальный японский резольвер SMARTSYN TAMAGAWA SEIKI MODEL: TS2651N141E78, довелось когда-то ремонтировать:
Тахогенератор
Не путайте энкодер и тахогенератор (его иногда ошибочно называют тахометром)!
У них схожие функции и область применения, но у тахо от скорости вращения двигателя зависит не частота выходных импульсов, а выходное напряжение.
Посмотрите, какая конструкция установлена у нас на заводе на двигателе постоянного тока мощностью 200 кВт:
Энкодер + тахометр слиты в единое целое на валу двигателя
Тахогенераторы, как и двигатели постоянного тока, в современном оборудовании практически не используются.
Производители энкодеров
Среди российских производителей энкодеров мне известен лишь только Питерский СКБ ИС, который производит энкодеры марки ЛИР. К сожалению, российского промышленного оборудования сейчас почти не производится, и ЛИРы применяются лишь в военном и лабораторном оборудовании.
По этой причине я имею дело только с энкодерами зарубежного производства. Производителей энкодеров много – их производят почти все производители полупроводниковых датчиков. Чаще всего я встречаюсь с энкодерами Autonics – как и в случае с датчиками, в России представлен большой ассортимент. Другие известные мне производители энкодеров – немецкий Sick, японский Omron, и несколько китайских брендов.
Использование тех или иных марок энкодеров обусловлено часто не техническими причинами, поскольку их параметры, схемы подключения и надежность практически идентичны. Тут скорее политические мотивы – производители комплектующих любыми путями стараются, чтобы их продукция вошла в состав больших и массовых производственных линий, чтобы таким образом закрепиться на рынке.
Скачать
Статья, которую вы сейчас прочитали, недавно была в урезанном виде опубликована в бумажном журнале “Электротехнический рынок” под названием “Энкодер: мастхэв производственной линии”. Кому интересно, выкладываю для скачивания:
• Энкодер: мастхэв производственной линии / Статья в журнале «Электротехнический рынок» от СамЭлектрик.ру. Разновидности и примеры реального применения энкодеров. Приведены описания реальных узлов оборудования, в которых применяются энкодеры, pdf, 1.15 MB, скачан: 1172 раз./
Рекомендую скачать ещё одну интересную статью по энкодерам:
• Подключение инкрементного энкодера к ПЛК / Обобщены данные о типах выходного сигнала энкодера, способах его обработки, подсчёте измеряемой частоты вращения. Пример подключения и обработки сигналов энкодера в контроллере Siemens, pdf, 2.36 MB, скачан: 1225 раз./
Приглашаю коллег к обсуждению в комментариях, буду рад замечаниям и дополнениям к статье!