Обзор кодировщика
Энкодер — это электромеханическое устройство, установленное на валу двигателя, которое отслеживает и отслеживает скорость и положение двигателя, выдавая цифровые импульсы. Его основной принцип работы заключается в следующем: путем подсчета импульсов, генерируемых энкодером, система может рассчитать смещение текущего положения двигателя относительно последнего известного положения, тем самым проверяя, точно ли двигатель достиг целевого положения.
Базовая структура кодера состоит из источника света, диска (кодового диска) с прорезями, выгравированными по его краям, и приемника света. Когда кодовый диск вращается вместе с валом двигателя, прорези делят постоянный статический источник света на серию вспышек. Приемник света обнаруживает эти изменения между светом и темнотой и преобразует их в цифровые прямоугольные импульсные сигналы, которые затем передаются на главный контроллер. Если разрешение энкодера соответствует разрешению шага двигателя, энкодер будет генерировать один соответствующий импульс для каждого шага движения двигателя.
I. Инкрементальные энкодеры
1. Принцип работы и выходные сигналы
Инкрементный энкодер работает, генерируя серию импульсов во время движения. Его кодовый диск имеет равномерно распределенные слоты. Когда вал вращается, фиксированный фотоэлектрический датчик обнаруживает изменения в проходящем свете и выдает непрерывную последовательность импульсов. Стандартный инкрементальный энкодер обычно выдает два прямоугольных-сигнала с разницей фаз 90 градусов (канал A и канал B), известные как «квадратурные сигналы». Фазовое соотношение между этими двумя сигналами используется для точного определения направления вращения.
2. Относительность информации о местоположении и проблема потери мощности-Off
Инкрементальный энкодер выдаетотносительное смещениеинформация, а не абсолютная позиция. После включения системы энкодер начинает считать и выдавать импульсы, а внешний счетчик или контроллер накапливает эти импульсы для расчета текущего положения. Однако при потере питания импульсный выход прекращается, и если внешне сохраненное значение счетчика не имеет резервного питания, оно будет потеряно. После восстановления питания энкодер не может автоматически узнать текущее положение вала, и значение счета снова начнется с нуля.
3. Необходимость возврата (возврата к исходной точке)
Из-за вышеуказанных характеристик системы, использующие инкрементальные энкодеры, должны выполнять операцию «возврата в исходное положение» каждый раз при запуске или перезапуске после сбоя питания. Эта операция обычно приводит двигатель в движение до тех пор, пока не сработает предопределенная физическая опорная точка, например, концевой выключатель, магнитный переключатель или индексный импульс фазы Z- на диске энкодера. Как только эта точка найдена, система сбрасывает или устанавливает счетчик положения на известное значение, которое затем служит абсолютным эталоном для всех последующих движений.
4. Преимущества, недостатки и приложения.
Преимущества:Относительно простая конструкция, низкая стоимость и высокая надежность.
Недостатки:Информация о местоположении теряется после-выключения питания и зависит от операции наведения; защита от-помех относительно слаба, и шумовые импульсы могут быть ошибочно засчитаны в положение.
Решение:В приложениях, требующих сохранения положения после-выключения питания, можно использовать резервную батарею для подачи питания на счетчик или устройство хранения.
II. Абсолютные энкодеры
1. Основной принцип: уникальное кодирование абсолютного положения.
Фундаментальной характеристикой абсолютного энкодера является то, что каждой механической позиции на его кодовом диске присваиваетсяуникальный цифровой код. Обычно это достигается путем изготовления на диске нескольких концентрических кодовых дорожек (каждая дорожка представляет один двоичный бит) и использования нескольких независимых фотоэлектрических датчиков. Таким образом, даже в неподвижном состоянии или при выключенном питании выходной сигнал напрямую соответствует абсолютному угловому положению вала.
2. Сохранение положения после-выключения питания и мгновенная доступность при включении-питания
Поскольку информация о положении однозначно определяется физическим шаблоном кодового диска, абсолютный энкодер не теряет положение после-выключения питания. Когда система снова включается, контроллер может немедленно считать текущий код абсолютного положения, не выполняя никаких операций возврата в исходное положение, обеспечивая «питание-включено и готово-к-использованию», что значительно повышает эффективность и безопасность запуска.
3. Однооборотные-и многооборотные-типы
Однооборотные-абсолютные энкодерыобеспечивают уникальное значение положения в пределах одного поворота на 360 градусов и подходят для применений, где диапазон перемещения составляет менее одного оборота.
Многооборотные-абсолютные энкодерыне только обеспечивает уникальное значение в пределах одного оборота, но также записывает количество оборотов с помощью внутреннего редуктора или электронного счетного механизма. Они могут обеспечивать глобальное абсолютное положение за несколько оборотов (например, до 4096 оборотов) и подходят для приложений позиционирования,-длительных перемещений.
4. Сигналы и преимущества
Выходной код:Обычно используется код Грея, в котором между соседними позициями меняется только один бит, что эффективно предотвращает ошибки чтения.
Защита от-помех:Положение определяется мгновенным считыванием шаблона кодового диска, поэтому случайные импульсы электрического шума не накапливаются, что обеспечивает высокую помехоустойчивость.
Высокая безопасность и гибкость:Позицию можно проверить сразу при-включении питания, что позволяет избежать рисков, вызванных запуском с неизвестной позиции; любая точка может использоваться в качестве программируемой опорной точки, что делает проектирование системы более гибким.
III. Механические абсолютные энкодеры (магнитного типа)
Это новый тип решения для определения абсолютного положения, основанный на принципах магнитного измерения, сочетающий в себе память-отключения питания и высокую устойчивость к воздействию окружающей среды.
1. Принцип определения положения за один-поворот
Его сердечник состоит из специального составного магнита, установленного в центре вала двигателя (с биполярной намагниченностью в центре и мультипольной намагниченностью на периферии) и соответствующих магниторезистивных датчиков. Датчик считываетнаправлениецентрального магнитного поля для получения грубого абсолютного угла (например, с разрешением 180 градусов) и в то же время обнаруживаетфазовые измененияпериферийного магнитного поля высокой-плотности для получения углового деления с высоким-разрешением. Объединив эти два значения, можно рассчитать точное абсолютное положение за один-оборот.
2. Принцип многоповоротного-определения положения
Для многооборотного определения абсолютного положения в системе используется прецизионная зубчатая передача. Главная передача установлена на валу двигателя, за ней следует ряд понижающих шестерен с определенным передаточным числом зубьев. Каждая шестерня оснащена собственным магнитом и датчиком.
Принцип работы:Когда вал двигателя вращается, каждая шестерня вращается с разной скоростью. Магниты на этих шестернях создают уникальную комбинациюразности фазсвязанных с их должностями. Система определяет фазу магнитного потока каждой шестерни и, расшифровывая этот набор разностей фаз, может однозначно определить абсолютное механическое положение вала двигателя в диапазоне до нескольких тысяч оборотов.
Особенности конструкции:Количество зубьев шестерни специально разработано таким образом, что комбинация разности фаз повторяется только после достижения максимально обнаруживаемого числа оборотов (например, 1800 оборотов), тем самым обеспечивая уникальность кода положения. Шестерни используются только для обнаружения и не несут никакой силовой нагрузки. Они изготовлены из самосмазывающихся полимерных материалов, что обеспечивает длительный срок службы.
3. Основные преимущества и сценарии применения
Без батареи, постоянная память:Информация о положении определяется физическим положением механических шестерен и расположением магнитов и никогда не теряется даже после полной потери мощности.
Высокая экологическая устойчивость:Не имея прецизионных оптических компонентов и полностью закрытой конструкции магнитного датчика, он обеспечивает гораздо лучшую устойчивость к пыли, загрязнению маслом, конденсации, вибрации и некоторым температурным ударам, чем оптические энкодеры.
Баланс между стоимостью и надежностью:Хотя разрешение может не соответствовать разрешению оптических энкодеров высшего-уровня, его прочная конструкция, высокая надежность и конструкция, не требующая обслуживания-батареи-, делают его идеальным выбором для промышленного применения, требующего долговечности, безопасности и отсутствия необходимости обслуживания батареи.
IV. Резюме и справочник по выбору
| Особенность | Инкрементальный энкодер | Оптический абсолютный энкодер | Механический (магнитный) абсолютный энкодер |
|---|---|---|---|
| Информация о позиции | Относительное перемещение | Абсолютное положение доступно при-включении питания | Постоянное абсолютное положение (без батареи) |
| После выключения-выключения | Позиция потеряна, требуется возвращение в исходное положение | Позиция сохраняется (зависит от батареи или энергонезависимой памяти) | Позиция сохраняется постоянно, питание не требуется |
| Помехоустойчивость | Среднее (шумовые импульсы могут быть неправильно подсчитаны) | Хорошо (позиция считывается мгновенно, шум не накапливается) | Хороший |
| Экологическая толерантность | Хороший | Средний (чувствителен к пыли и конденсату) | Отличный (устойчив к маслу, вибрации, перепадам температуры) |
| Расходы | Низкий | От среднего до высокого | Середина |
| Типичные применения | Системы,-чувствительные к затратам, где допустимо возвращение в исходное положение, управление с разомкнутым-контуром или простое управление с замкнутым-контуром. | Высокоточное-ЧПУ, робототехника, чистая среда, требующая готовности к электропитанию- | Наружное оборудование, тяжелая техника, логистическое оборудование и суровые промышленные условия или приложения, требующие обслуживания аккумуляторов. |
Заключение
Для шаговых двигателей с разомкнутым-контуром или стандартных сервосистем:инкрементальные энкодерыостаются основным выбором из-за их высокой экономической-эффективности. В приложениях, требующих включения-включения и готовности-к-использованию, высокого уровня безопасности или сложных функций позиционирования,абсолютные энкодерынезаменимы. Среди абсолютных решениймеханические абсолютные энкодерыпредоставить инженерам мощную альтернативу, которая может упростить проектирование системы и повысить долгосрочную-надежность благодаря своимаккумулятор-свободная постоянная памятьиотличная промышленная долговечность.
