Astro-nn.ru

Стройка и ремонт
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Магнитный энкодер принцип работы

  • Все
  • Тематические
      • Технологии


      Энкодер — это устройство преобразующее линейное или угловое перемещение в последовательность сигналов, позволяющих определить величину перемещения.
      Т.о. можно выделить линейные и поворотные энкодеры.

      Поворотный энкодер (иначе — датчик угла поворота) — устройство, преобразующее угол поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить этот угол.
      Датчики угла поворота широко применяются в автоматике (например — в сервоприводах).

      Энкодеры бывают двух типов:
      1. абсолютный — энкодер возвращает своё абсолютное положение.
      Пример: переменный резистор в сервомашинке.
      2. инкрементный — энкодер выдаёт импульсы, означающие изменение его положения
      Пример: энкодер используемый на колёсике компьютерной мышки.

      Кроме того, энкодеры различаются по принципу действия:
      1) с щеточными контактами;
      2) резисторные (потенциометры);
      3) оптические;
      4) магнитные (на датчиках Холла);
      5) индуктивные;
      6) ёмкостные.

      Пример использования магнитного энкодера мы видели у робота-пылесоса Neato XV-11,

      — на валу двигателя закреплён пластиковый диск с магнитиками, на которые реагирует датчик Холла.
      А стандартный оптический энкодер мы можем наблюдать у роботов-пылесосов iRobot Roomba 400-серии (iRobot Create),

      или в компьютерных мышках.

      Принцип действия оптического энкодера:

      направленный на фотодетектор, луч света периодически прерывается диском со специальными прорезями, вращающимся на валу двигателя/колеса.

      В любительской робототехнике, наибольшее распростронение получили именно оптические энкодеры, которые могут быть либо в виде диска со специальными прорезями/щелями (или прозрачный диск с непрозрачными штрихами), либо в виде диска/ленты с областями с разной отражающей способностью.

      Т.о., оптические энкодеры работают по двум принципам:
      * на просвет;
      * на отражение.

      В обоих случаях, фотоприёмник, фиксирует переход от одной области к другой и энкодер может сгенерировать импульс, инкрементирующий «счётчик положения».

      Так же, можно разделить энкодеры по типу считываемой информации:

      * Одиночный энкодер — считаем количество импульсов

      Плюсы:
      + самый простой и доступный вариант энкодера (только один датчик — излучатель+приёмник).

      Минусы:
      — ошибки инициализации (при старте системы, не ясно в каком положении находтся энкодер);
      — ошибки при подсчете импульсов на границах ( возможны ложные срабатывания из-за «дребезга»;
      — невозможность определить направление движения.

      * Сдвоенный (квадратурный) энкодер — считаем количество импульсов, учитывая направление.

      Разновидность инкрементального энкодера, которая состоит из двух датчиков срабатывающих со смещением в полшага, что позволяет практически полностью гарантировать отсутствие ложных срабатываний на границе одного из энкодеров.

      Плюсы:
      + относительная простота реализации (два датчика);
      + отсутствие ошибок при подсчете импульсов;
      + возможно определить направление вращения.

      Минусы:
      — ошибки инициализации (при старте системы, не ясно в каком положении находимся).

      * Энкодер на двоичных кодах — позволяет считывать точное положение в каждый момент времени.

      Плюсы:
      + отсутствие ошибок инициализации (при старте системы, ясно в каком положении находимся);
      + нет ошибок при подсчете импульсов, т.к. такой задачи просто нет;
      + возможно определить направление вращения.

      Минусы:
      — относительная сложность реализации (несколько датчиков);
      — проблемы с граничными положениями (если меняется одновременно более 1 бита, то можно временно получить некорректное положение);
      — ограничения в разрешающей способности (для большей точности требуется больше каналов).

      * Энкодер на кодах Грэя — позволяет считывать точное положение в каждый момент времени.

      Плюсы:
      + отсутствие ошибок инициализации (при старте системы, ясно в каком положении находимся);
      + отсутствие ошибок при подсчете импульсов на границах;
      + возможно определить направление вращения;
      + отсутствие проблемы с граничными положениями (одновременно меняется не более 1 бита).

      Минусы:
      — относительная сложность реализации (несколько датчиков);
      — ограничения в разрешающей способности (для большей точности требуется больше каналов).

      Для самостоятельного изготовления энкодера потребуются:
      1. диск с прорезями (можно изготовить самостоятельно — например, травлением) или найти готовый (например, в компьютерной мышке)), а можно наоборот — распечатать на плёнке для принтеров чёрные штрихи по кругу или диск с контрастным рисунком (просто распечатать на бумаге и приклеить к диску или колесу)

      2. фото-датчик (светодиод + фото-приёмник).

      Для энкодеров «на отражение» можно использовать фотопрерыватель (photo-interrupter), который в одном корпусе содержит оба элемента.

      различные варианты паттернов энкодеров:

      Пример энкодера в колесе от Pololu

      На плате стоят фотопрерыватели, фиксирующие отражённый сигнал от белых зубцов внутри колеса.

      Энкодеры

      Датчики углового и линейного перемещения, датчики наклона

      Инкрементальные энкодеры

      Инкрементальный энкодер (Incremental Encoder) регистрирует относительное перемещение (приращение). Разрешение (Resolution) углового энкодера определяется количеством импульсов на один оборот (на рисунке изображён оптический дик с разрешением 8 имп/об).

      Частота импульсов на выходе энкодера пропорциональна скорости вращения.

      Система управления должна подсчитывать импульсы, чтобы вычислить угол поворота энкодера относительно точки отсчёта.

      В системах, работающих с абсолютными координатами (станок с ЧПУ), перед началом работы (после включения питания) необходимо выставить ноль – вывести рабочий орган машины в опорную (реперную) точку и в ней обнулить счётчик импульсов.

      Синусно-косинусные инкрементальные датчики положения sin/cos 1-Vss и 1-Vpp

      Синусоидальные выходные сигналы А и В сдвинуты друг относительно друга на 90 градусов, что позволяет определять направление вращения. Сигнал нулевой метки R используется для синхронизации с точкой отсчёта. Для повышения помехозащищённости датчик выдаёт ещё три инверсных сигнала: A , B , R . Оцифровываются эти сигналы в системе измерения.

      Датчики с интерфейсом 1-Vpp используются в сервосистемах, т.к. как позволяют получать очень высокое разрешение. Так, например, если датчик выдаёт 2048 периодов синусоиды (импульсов) на оборот, а система управления в каждой такой синусоиде различает 2048 дискретных уровней, то общее разрешение датчика составит 2048 х 2048 = 4194304 импульсов на оборот.

      Инкрементальные датчики с интерфейсом TTL или HTL

      Эти датчики сами оцифровывают синусоидальные сигналы – у них на выходе 6 прямоугольных сигналов — три прямых: A, B, R и три инверсных: A , B , R . Для сигнализации неисправности датчика используется инверсный сигнал помехи (если нет неисправности, то сигнал помехи равен 1).

      Абсолютные энкодеры

      Разрешение абсолютного энкодера (Absolute Encoder) определяется количеством уникальных кодов на один оборот. Однооборотные (Single-turn) абсолютные энкодеры определяют положение в пределах одного оборота, многооборотные (Multi-turn) – в пределах определённого числа оборотов.

      Абсолютные датчики положения не требуют для начала работы выхода в опорную точку – при включении питания датчик сразу определяет координату, сканируя кодовые дорожки.

      Резольверы

      Резольвер (Resolver) – это аналоговый электромагнитный абсолютный однооборотный датчик, работающий по принципу вращающегося электрического трансформатора.

      Рассмотрим работу бесщёточного резольвера.
      На статоре расположены три обмотки: первичная обмотка возбуждения вращающегося трансформатора (на неё подаётся переменное напряжение) и две двухфазные обмотки, механически повёрнутые друг относительно друга на 90 градусов: синусная и косинусная. На роторе расположена вторичная обмотка вращающегося трансформатора, которая возбуждается от первичной обмотки на статоре за счёт электромагнитной индукции. Обмотка ротора в свою очередь индуцирует в синусной обмотке статора напряжение пропорциональное синусу угла поворота ротора, а в косинусной обмотке — напряжение пропорциональное косинусу угла поворота ротора.

      Резольверы отличаются высокой надёжностью (они не бьются и не запотевают, как оптические) и точностью (аналоговые, а не дискретные).

      Код Грея

      Код Грея (Gray Code) – это двоичный код, в котором два соседних значения отличаются только одним разрядом.

      Десятичное
      число
      Двоичное
      число
      Код Грея
      000000
      1001001
      2010011
      3011010
      4100110
      5101111
      6110101
      7111100

      Формула побитного преобразования двоичного кода в код Грея

      Gi = Bi⊕Bi+1,
      биты нумеруются справа налево, ⊕ – исключающее ИЛИ (если биты равны, то результат равен 0; если биты не равны, то результат равен 1).

      Код Грея используется для кодирования положений в абсолютных датчиках, так как обладает большей помехозащищённостью, чем обычное двоичное кодирование (Natural Binary).

      На рисунке изображён оптический диск с 3-х разрядным (8 положений) кодом Грея.

      Тахогенераторы

      Тахогенераторы предназначены для определения скорости и направления вращения. Напряжение на выходе тахогенератора пропорционально скорости вращения вала.

      Как выбрать

      Датчики линейного и кругового перемещения

      • Перемещение
        • Круговое (угловое)
        • Линейное.
      • Принцип действия
        • Оптические, электромагнитные, механические
        • Импульсные или непрерывные
        • Инкрементальные или абсолютные.
      • Разрешение
        • Импульсов на оборот (для круговых)
        • Миллиметров, микрон (для линейных).
      • Круговые датчики
        • Вал
          • Конструкция вала (цельный, полый)
          • Диаметр
        • Подшипники (если нужны).
      • Инкрементальные энкодеры
        • Тип выходного сигнала
          • TTL 5В (RS-422)
          • HTL 8..30В
          • Sin/cos 1Vss
          • Sin/cos 1Vpp.
      • Абсолютные энкодеры
        • Тип датчика
          • Однооборотные
          • Многооборотные.
        • Код
          • Двоичный
          • Грея.
        • Тип выходного сигнала
          • Синусно-косинусный (резольверы)
          • Параллельный
          • SSI
          • DRIVE-CLiQ
          • RS-422 (TTL)
          • EnDat
          • HIPERFACE
          • PROFIBUS DP
          • DeviceNet
          • CANOpen.
      • Окружающая среда
        • Диапазон рабочих температур
        • Степень защиты корпуса
        • Класс взрывозащиты.
      • Ограничения
        • Максимальная рабочая скорость
        • Длина кабеля.

      Датчики угла наклона (инклинометры)

      • Диапазон измерения угла наклона относительно вертикали (например, ±10°)
      • Разрешение (0,1°)
      • Абсолютная точность (±0,5°)
      • Температурный дрейф (±0,5%/K)
      • Температурный коэффициент (0,01°/K)
      • Калибровка нуля (±5°)
      • Воспроизводимость измерения (0,1% от диапазона измерения)
      • Выходной сигнал:
        • Токовый 4..20мА
        • Напряжение 0,1..4,9В
      • Напряжение питания
      • Защита:
        • от обрыва провода
        • от обратной полярности
      • Степень защиты корпуса (IP67)
      • Температура окружающей среды (-30°C..+70°C)
      • Подключение:
        • Коннектор М12 (папа).

      Энкодеры (Encoders): особенности и применение

      Энкодер (заимствованное зарубежное слово encoder), означает преобразователь. Сегодня это название объединяет целый класс изделий, получивших широкое распространение в автоматизации промышленных процессов. В качестве устройства контроля положения выделяют две основные группы по назначению: угловые (rotary, angular) и линейные (linear encoder). В отечественной технической и конструкторской литературе чаще встречаются следующие названия: датчик обратной связи (ДОС), преобразователь угловых / линейных перемещений, датчик угла поворота (ДУП), датчик положения, шифратор, кодировщик. Также популярны названия на английском: transducer, sensor. В немецкой документации: drehgeber (если угловой), line geber (если линейный).

      Объединив все эти понятия, можно сказать, что энкодером называют устройство, которое преобразовывает механическое перемещение (линейное движение или вращение) посредством изменения физических величин (проходящий свет, магнитное или индуктивное поле) в последовательность сигналов. Формируемый на выходе электрический сигнал может быть аналоговым или цифровым. Он несет в систему управления верхнего уровня информацию о величине, направлении, скорости, перемещения, положении объекта.

      Принцип работы энкодера

      Как обеспечивается работа устройства лучше всего видно, если заглянуть «внутрь». Рассмотрим типовую и самую распространенную схему построения преобразователя – оптоэлектронную с подшипниковым узлом. На рисунке ниже представлен оптический многооборотный абсолютный датчик с цельным валом.

      Здесь видны практически все основные узлы современного изделия:

      1. – вал энкодера
      2. – фланец (на данном рисунке представлен зажимной тип)
      3. – фотоприемник инфракрасного (ИК) света
      4. – оптический диск с растрами (метками, если инкрементный) или кодовыми дорожками (если абсолютный)
      5. – ИК осветитель (LED) с линзой на плате
      6. – механический редуктор с зубчатыми колесами (многооборотный модуль)
      7. – плата обработки сигнала с выходными формирователями и конверторами интерфейса.

      Элементы 1, 2, 4 формируют оптико-механический подшипниковый узел. Оптический диск (лимб) 4 может быть стеклянным, металлическим, пластиковым. В зависимости от производителя бывают конструкции, где элементы 3 и 5 поменяны местами. Механический редуктор 6 встречается только у многооборотных абсолютных преобразователей.

      На рисунке выше показана работа энкодера:

      1. ИК свет от источника 5 проходит через кодовый диск 4, и попадает на приемник (фото матрицу) 3
      2. Фотоприёмник имеет нанесенную на чувствительном элементе или расположенную над ним маску (индикаторную пластину), которая также имеет «окошки», как на вращающемся диске
      3. Из-за поочередного перекрытия и открытия окошек маски в процессе вращения вала датчика, проходящий свет имеет аналоговую структуру. Нет света -> нарастает -> максимум света -> убывает -> нет света
      4. Это регистрирует фото сенсор
      5. Далее аналоговый сигнал с приемника преобразуется платой обработки 7 в необходимые для дальнейшей передачи информации импульсы.

      Виды энкодера

      Основные типы, которые на слуху у всех специалистов, занимающихся автоматизацией:

      • абсолютные (absolute) – всегда знают свое положение
      • инкрементные (incremental) – относительные, считают только при включенном питании и вращении.

      С развитием технологии, абсолютные энкодеры занимают все более прочные позиции на рынке. Если раньше соотношение было 70 на 30 и даже 80 на 20 % в пользу икнрементальных, то теперь их позиции равны. А в некоторых отраслях абсолютные преобладают.

      Отдельно здесь можно выделить многооборотные энкодеры. Которые не только «запоминают» позицию внутри оборота, но и знают на каком обороте находятся. Количество оборотов зависит от используемого многооборотного модуля. У редукторного механического модуля количество регистрируемых оборотов как правило ограничено 12 (4096) или 14 битами (16384). У модуля со встроенной в энкодер батарейкой – до 18 (262144) и более бит. Многооборотный модуль, построенный на сенсорах Виганда, считает до 31 (2147483648) бит оборотов.

      По конструкции выделяют угловые преобразователи следующих типов:

      • С полым валом (hollow shaft):
        • Сквозным (thru hollow)
        • Глухим (тупиковым)(blind hollow).
      • С цельным валом (solid shaft) с:
        • Cинхро фланцем (synchro flange)
        • Зажимным (clamping)
        • Квадратным (square)
        • Пилотным (pilot).

      Самое полное портфолио энкодеров на рынке вы найдете на сайте f-enco.ru

      Применение энкодера

      Области применений сегодня настолько обширны, что преобразователь перемещений можно встретить в принтере, метро, самолете, трамвае, строительном кране, лифте, даже на продвинутом дачном участке в качестве датчика открывания ворот. Ниже представлен далеко не полный список применений, где датчики обратной связи получили наибольшее распространение:

      1. Автоматизация производств
        • Упаковка
        • Текстильное производство
        • Производство продуктов питания и напитков
        • Промышленные роботы

  • Медицинская техника
    • Томографы
    • Роботы-хирурги
  • Строительная и карьерная техника
    • Передвижные буровые станции
    • Карьерные самосвалы
    • Передвижные краны

  • Промышленные задвижки и регулирование уровня воды
    • Радиальные и барабанные ворота
    • Вертикальные шлюзы
    • Автоматические трубопроводные задвижки
  • Лифты
    • Пассажирские
    • Грузовые
    • Специализированные подъемники
  • Хранение и перемещение грузов
    • Автоматизированные склады
    • Автопогрузчики
    • Портовые краны
    • Багажные ленты
    • Ножничные подъемники
  • Альтернативная энергетика
    • Ветряные генераторы
    • Солнечные батареи
  • Станкостроение и модернизация станков
    • Универсальные станки
    • Станки с ЧПУ
    • Сервомоторы
  • ДА! СКБ ИС производит энкодеры.

    Энкодеры

    Энкодеры от английского encode – в значении преобразовывать) это датчики, широко применяющиеся в промышленности для преобразования контролируемой величины – положения вращающегося объекта – в электрические сигналы. При помощи энкодеров, например, можно определить положение вала электродвигателя.

    Энкодеры широко применяются в продукции станкостроительных заводов, робототехнических комплексах, системах технологического и промышленного контроля, а так же во всевозможных измерительных устройствах, требующих высокоточной регистрации угловых перемещений объекта (наклонов, поворотов, вращения).

    В 1988 году с целью производства отечественных энкодеров (преобразователей линейных и угловых перемещений) было создано наше предприятие — СКБ ИС.

    По физическому принципу работы выделяют фотоэлектрические и магнитные энкодеры.

    Фотоэлектрические энкодеры

    Фотоэлектрические энкодеры используют фотоэлектрический эффект — явление испускания электронов веществом под действием света, открытым 1887 Г.Герцем. Во время работы фотоэлектрического энкодера происходит непрерывное преобразование света в электрический сигнал. Синонимы – оптоэлектронный, оптронный и оптический энкодер.

    По сравнению с приборами на другом физическом принципе действия, фотоэлектрические энкодеры более требователены к технологии производства, условиям эксплуатации, размерам конструкции и т.д., однако обладют большим потенциалом по точности и разрешению.

    Магнитные энкодеры

    Магнитные энкодеры используют эффект холла — явление возникновения разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Эффект холла открыт Э.Холлом в 1879 году.

    По точности и разрешению магнитные энкодеры уступают, например, фотоэлектрическим, однако просты в реализации, менее требователены к условиям эксплуатации и размерам конструкции.

    В 1990 году у Энкодеров появился отечественный синоним — «Преобразователи Перемещений». Его ввел в действие государственный стандарт союза СССР (ГОСТ 26242-90). Однако этот термин до сих пор менее популярен, чем западный.

    По общему принципу работы выделяют инкрементнальные и абсолютные энкодеры.

    Инкрементальные энкодеры

    Инкрементальный энкодер относится к классу импульсных датчиков. При вращении объекта на его выходах появляются импульсы. Их количество пропорционально углу, на который повернулся объект. Синонимы – импульсный и инкрементный энкодер.

    Инкрементальные энкодеры чаще всего применяются в станкостроении, в качестве угловых датчиков, осуществляющих высокоточную регистрацию углового перемещения вала, а так же в автоматических системах в цепях обратной связи в качестве импульсного датчика скорости вращения вала.

    Абсолютные энкодеры

    Абсолютный энкодер относится к классу абсолютных датчиков положения. На его выходах появляется цифровой код, определяющий текущее положение объекта (текущее значение угла).

    Как правило, оптическая схема и электронная обработка сигналов в абсолютных энкодерах сложнее, чем, например, в инкрементальных энкодерах. Однако абсолютные энкодеры выдают код положенния (текущее значение угла), а это свойство часто является обязательным для работы системы.

    Самые маленькие энкодеры СКБ ИС всего 8 мм в диаметре. Самое высокое разрешение — 3 600 000 дискрет на оборот. Есть полностью гермитичные варианты, способные работать под водой.

    Про Ардуино и не только

    суббота, 9 сентября 2017 г.

    Энкодер вращения

    Сегодня я хочу рассказать об энкодерах вращения, какие они бывают, как работают и где применяются. И для примера рассмотрим подключение модуля KY-040 к Ардуино. А пока начнем с теории.

    Что такое энкодер вращения

    Энкодер вращения — это электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта в электрический сигнал (цифровой или аналоговый). Такие устройства находят широкое применение в промышленности, в роботостроении, автомобилестроении, компьютерной технике и т.п.

    Энкодеры вращения можно разделить по принципу действия на оптические, магнитные, емкостные, индуктивные, резистивные и механические; по способу выдачи информации на абсолютные и инкрементные.

    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:

    Абсолютные и инкрементные энкодеры

    Приведенный выше пример оптического энкодера вращения генерирует на выходе импульсы, по которым принимающее устройство определяет текущее положение вала путём подсчёта числа импульсов счётчиком. Такие энкодеры называют инкрементными или накапливающими. Сразу же после включения инкрементного энкодера положение вала неизвестно. Для привязки системы отсчёта к началу отсчёта инкрементные энкодеры могут иметь нулевые (референтные) метки, через которые нужно пройти после включения оборудования. К недостаткам также относится то, что невозможно определить пропуск импульсов от энкодера по каким-либо причинам. Это приводит к накоплению ошибки определения угла поворота вала до тех пор, пока не будет пройдена нуль-метка.

    Этих недостатков лишены абсолютные энкодеры. Они выдают на выходе сигналы, которые можно однозначно интерпретировать как угол поворота. Как и в приведенной выше схеме инкрементного энкодера, абсолютный оптический энкодер содержит светоизлучающий и принимающий элементы. Существенное отличие в используемом диске: он имеет прозрачные и непрозрачные участки на нескольких радиусах. Световые лучи, проходя через диск, засвечивают те или иные участки фоточувствительного элемента, который в свою очередь формирует на выходе соответствующие сигналы, уникальные для каждого положения диска.

    Для кодирования углового положения абсолютные энкодеры используют диски с двоичными кодами и кодами Грея. Двоичный код удобен тем, что не требует дополнительных преобразований. В целом же использование кода Грея предпочтительнее т.к. он более устойчив к ошибкам чтения за счет того, что каждое следующее значение отличается от предыдущего только в одном разряде. При этом вероятность считывания совершенно неверного значения полностью исключена. Более подробно о коде Грея можно почитать в Википедии. На следующем изображении приведены примеры дисков для инкрементного квадратурного и абсолютного энкодеров.

    Этот пример наглядно иллюстрирует принцип кодирования углового положения на диске абсолютного энкодера. Для каждого положения вала формируется свой уникальный код. В данном случае для кодирования 16 положений потребовалось 4 концентрических дорожки. При увеличении разрешения абсолютного энкодера возрастает число дорожек и разрядность считываемого значения. Поэтому наряду с параллельным интерфейсом в абсолютных энкодерах широко применяются последовательные интерфейсы, такие как Profibus, CANopen, SSI, BiSS, ISI, Profinet, PWM, Ethernet Powerlink, EtherNet TCP/IP, Modbus, DeviceNet, EtherCAT. Также существуют энкодеры, возвращающие значение углового положения в виде аналогового сигнала.

    Абсолютные энкодеры могут быть однооборотными и многооборотными. Если однооборотные способны только выдавать значение угла поворота, то многооборотные позволяют также определять количество оборотов. Это возможно за счет наличия в их составе редуктора и дополнительного диска, который изменяет свое положение при каждом полном обороте вала энкодера.

    Подключение инкрементного энкодера к Ардуино

    Теперь после небольшой теоретической части можно перейти к практике. Попробуем подключить к Ардуино инкрементный энкодер вращения. У меня в распоряжении имеется модуль KY-040 (вроде того, что изображен на фото в начале этой статьи), который представляет из себя энкодер с разрешением 20 шагов на оборот со встроенной кнопкой, распаянный на плату с подтягивающими резисторами. Это идеальный компонент для организации меню: вращение вала энкодера можно интерпретировать как перемещение курсора по элементам меню, а нажатие кнопки — выбор конкретного элемента. Позже я приведу пример создания такого меню, а сейчас разберемся с подключением энкодера к Ардуино.

    Подключим энкодер к Ардуино по следующей схеме:

    Существует 2 способа работы с энкодером: с использованием прерываний и путем опроса выводов энкодера в теле программы. Первый способ требует четкий сигнал на выводах энкодера, без помех. Поскольку данный энкодер является механическим, сигнал на его выходах искажен дребезгом контактов и не может быть использован для генерации прерываний (по крайней мере без дополнительных средств для восстановления сигнала, о чем будет рассказано позже). Поэтому сейчас реализуем второй способ и бороться с дребезгом будем программно. Загрузим в Ардуино нижеприведенный код, ссылка для скачивания.

    Для удобства работы код опроса энкодера помещен в отдельную функцию. В таком виде я использую ее в большинстве проектов с энкодером, достаточно скопировать функцию с переменными в новый скетч и в цикле опрашивать состояние энкодера. Подавление дребезга реализовано за счет добавления в функцию условия, которое обеспечивает опрос энкодера не чаще 1 раза в 5мс.

    Подобный код можно увидеть на различных сайтах, и везде говорится что вывод CLK — это сигнал A, а вывод DT — это B. Почему-то на моих энкодерах это не так и сигналы поменяны местами. Этот момент учтен в функции при чтении значений с контактов. И если вдруг у Вас окажется, что при вращении вала энкодера по часовой стрелке значение переменной counter будет уменьшаться, то замените в функции строки чтения значений с выводов pin_CLK и pin_DT на следующие:

    Итак, прошиваем код в Ардуино, запускаем монитор порта и вращаем ручку энкодера. Должно получиться что-то вроде этого:

    Digitrode

    цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

    • Вычислительная техника
      • Микроконтроллеры микропроцессоры
      • ПЛИС
      • Мини-ПК
    • Силовая электроника
    • Датчики
    • Интерфейсы
    • Теория
      • Программирование
      • ТАУ и ЦОС
    • Перспективные технологии
      • 3D печать
      • Робототехника
      • Искусственный интеллект
      • Криптовалюты

    Чтение RSS

    Что такое абсолютный энкодер и когда его следует использовать

    Когда вам нужно измерить скорость, направление движения или положение вращающегося вала, вам, скорее всего, потребуется поворотный датчик или иными словами энкодер. И когда приходит время выбора такого устройства, необходимо рассмотреть два основных типа: инкрементный энкодер и абсолютный энкодер.

    Важное значение имеет правильный выбор, поэтому в данном материале будет приведено краткое руководство по абсолютным энкодерам, чтобы помочь вам понять, что они из себя представляют, чем они отличаются от инкрементных энкодеров, и ситуации, в которых вам может понадобиться такое устройство.

    Что такое абсолютный энкодер

    Абсолютный энкодер предоставляет точное значение о положении или данные о каждой точке вращения, представляющую «абсолютное» положение энкодера. С момента его включения абсолютный датчик может рассказать вам точное положение вращающегося вала, которое он измеряет. Он делает это с помощью оптического, магнитного или емкостного сенсора для считывания уникального кода с диска, который вращается вместе с валом. Крайне важно, что абсолютный энкодер может сделать это без необходимости поворота вала и может отслеживать это положение даже в случаях временной потери питания. Чем больше уникальных кодов присутствует на диске кодировщика, тем точнее будет отображаться положение.

    Разрешение представляется в виде битов (двоичных цифр), которые соответствуют количеству уникальных слов данных за один оборот. Абсолютные энкодеры также имеют однооборотные и многооборотные варианты. Однооборотные энкодеры обеспечивают позиционирование данных за один полный оборот на 360°, причем выход повторяется для каждого оборота вала. Многооборотные энкодеры также обеспечивают позиционирование данных за один оборот, но имеют дополнительный счетчик «поворотов», который измеряет количество оборотов.

    Абсолютный энкодер против инкрементного энкодера

    Инкрементный датчик работает, генерируя импульсы при вращении вала. Типичный инкрементный энкодер генерирует 2 меандра с отставанием на 90 градусов по фазе. Эти импульсы должны отслеживаться или подсчитываться электроникой, внешней по отношению к энкодеру.

    Разрешение представлено числом импульсов на оборот и представляет собой количество высоких импульсов, которые инкрементный датчик будет выдавать от любого из его выходов. Поскольку выход инкрементного энкодера всегда присутствует только в 1 из 4 повторяющихся состояний, энкодер должен быть привязан к известному фиксированному местоположению, чтобы обеспечить значимую информацию о местоположении. Из исходного местоположения, часто совпадающего с индексным импульсом энкодера, можно отслеживать постепенное изменение вращения вала и определять абсолютное положение вала. Это должно происходить каждый раз, когда вы включаете инкрементный кодер или в случае временного отключения питания. Следовательно, для получения абсолютного положения требуется больше времени, и вал должен поворачиваться, чтобы обеспечить его. Всех этих недостатков лишен абсолютный энкодер.

    Впрочем, инкрементальные энкодеры менее сложны, чем абсолютные модели, и поэтому обычно менее дороги (хотя разница в цене все уменьшается). Если вы только контролируете скорость, направление движения или относительное положение, инкрементный энкодер, как правило, лучший вариант, но когда определение абсолютного положения вала является вашей основной проблемой, абсолютный энкодер – это надежное решение.

    В большинстве случаев сегодня абсолютный энкодер лучше инкрементного. Во-первых, абсолютный датчик поддерживает положение вала, положение будет известно, как только вы включите его. Вам не нужно ждать завершения последовательности самонаведения или калибровки и можете получить данные о положении, которые вам нужны быстрее при запуске или после сбоя питания, даже если вал был повернут, когда энкодер был выключен.

    Знание абсолютного положения при запуске может быть существенным преимуществом во многих системах, где в определенных положениях безопасно продолжать вращать вал в одном направлении, но не в другом. В зависимости от применения, неправильное использование может привести к повреждению оборудования, телесным повреждениям или, что еще хуже, летальным исходам. В таких ситуациях важно, чтобы вы знали точное положение своего вращающегося устройства до того, как какие-либо части переместятся.

    Не менее важно, что абсолютный кодер обеспечивает истинное положение в реальном времени. Поскольку все больше и больше систем становятся цифровыми с подключением к центральной шине связи, возможность опроса энкодера для определения положения в реальном времени, когда это необходимо, с минимальной задержкой, имеет большую пользу. Чтобы отслеживать положение с инкрементным датчиком, даже после последовательности самоопределения вам нужно отслеживать все импульсы с помощью внешней схемы (как правило, посредством квадратурного декодирования). Абсолютные энкодеры генерируют уникальное цифровое «слово» для каждой позиции в заявленном разрешении.

    Есть и другие преимущества абсолютных энкодеров. Системы, которые имеют абсолютные датчики, как правило, менее восприимчивы к электрическим шумам, потому что они получают положение, считывая код с проверкой ошибок или в цифровом виде по последовательной шине.

    Основываясь на этом факте, можно сказать, что сравнительно просто объединить более одного абсолютного энкодера вместе с другими в одной и той же системе – возможно, для автоматизации производства или в роботизированной руке с несколькими суставами. Если вы используете инкрементные энкодеры, мониторинг выходов с нескольких устройств может стать очень сложным, требующим значительной вычислительной мощности. Но с абсолютными энкодерами, особенно с теми, которые вы можете связать с центральной коммуникационной шиной, вы можете получать данные от каждого отдельно, что требует гораздо меньшей вычислительной мощности для интерпретации показаний.

    Области применения абсолютных энкодеров

    Изложив основные различия между абсолютными и инкрементными энкодерами, давайте кратко рассмотрим некоторые конкретные сценарии, в которых используются абсолютные энкодеры.

    Ключевым рынком является робототехника – быстро расширяющаяся область, охватывающая широкий спектр применения. В производстве вы найдете роботизированные руки, используемые для сборки, сварки, распыления краски и других задач. Вы также найдете их в здравоохранении. Например, удаленная хирургия требует больших количеств исключительно точной позиционной информации от роботизированных рук. Роботы для оказания помощи на дому – еще один новый вариант использования для абсолютных датчиков.

    Тем не менее, это всего лишь одна область, в которой больше систем становится цифровыми, а разрыв цен между инкрементальными и абсолютными энкодерами сокращается. Разнообразие приложений для абсолютных энкодеров становится почти бесконечным, как на промышленном, так и на потребительском рынках. Абсолютные датчики, применяемые всюду от автоматических ворот до заводской автоматики являются высокоэффективными и все более бюджетным способом определения положения вала исполнительного механизма.

    Принцип работы энкодера, как он устроен и как работает

    Что это такое и где применяется

    Энкодер (ДУП) – это специальное устройство, необходимое для точного измерения интересующих параметров движения детали цифровым способом (угол поворота/направление/скорость и позиция), к примеру, редуктора или вала на электродвигателе. Стоит отметить, что данное устройство может носить название преобразователя угловых помещений.

    Своё применение энкодер нашёл в разных системах точных перемещений, в промышленности (станкостроительные заводы); в роботостроении, измерительных устройствах, для которых важен точный учёт измерений вращения, поворота, наклона и угла. Также их применяют в таких сферах как: автомобилестроение и компьютерная техника.

    Принцип работы энкодера заключается в его передаче сигнала на вращающийся объект. При этом он позволяет увидеть такие данные как: угол поворота/направление/скорость и позиция.

    Устройство и виды энкодеров


    Рисунок 1. Энкодер с ручкой — самый простой вариант

    Как вы уже узнали, энкодер – это поворотный датчик. Самый простой датчик оснащён ручкой, способной совершать поворот, как по стрелке часов, так и против неё. От поворотного угла и направления зависит выдаваемый цифровой сигнал, который информирует либо о том, какое положение приняла ручка, либо её стороне поворота. Обычно у таких энкодеров ручка применяется ещё в виде кнопки.

    Датчики поворотного угла подразделяют по следующим критериям:

    • Принцип выдачи данных: инкрементный и абсолютный;
    • Принцип работы: оптический, магнитный и механический;

    Инкрементальный энкодер принцип работы


    Рисунок 2. Инкрементный энкодер

    Имея более простую конструкцию, преобразователь формирует импульсы, благодаря которым устройство приёма информации определяет нынешнее положение объекта, подсчитывая счётчиком число импульсов. Сразу после приведения данного вида ДУПа в действие положение интересующего объекта (вала) неизвестно. Для подключения системы отсчёта непосредственно к отсчётному началу такие датчики оснащены нулевой меткой. Через них валу необходимо пройти после соответствующего включения устройства.

    Из недостатков данного вида датчиков можно выделить то, что определить пропуск импульсов от преобразователя не представляется возможным. Это соответственно является причиной накопления ошибки при выявлении поворотного угла объекта (пока он не пройдёт нуль-метку). Для выявления направления поворота используется пара измерительных каналов – косинусный и синусный. В них одинаковые импульсные последовательности перемещены ровно на 90 градусов относительно обоих каналов.

    Абсолютный энкодер устройство


    Рисунок 3. Абсолютный энкодер

    У этого типа ДУПа его поворотный круг поделён на определённые пронумерованные сектора, обычно идентичного размера. Во время работы он выдаёт конкретный секторный номер, в котором он непосредственно и находится. Именно поэтому данное устройство называют абсолютным. Благодаря его устройству можно легко определить угол/положение/направление энкодера относительно начального (нулевого) сектора.

    Помимо этого абсолютный датчик угла не требует присоединения систем отсчёта к какому-нибудь нулевому значению. В нём используется специальный код Грея, позволяющий не допустить ошибки при работе. Из недостатков можно выделить только то, что микроконтроллер будет вынужден постоянно его переводить в двоичный код, чтобы выяснить положение ДУПа.

    Оптические ДУПы

    Они отличаются наличием диска из стекла с оптическим растром, закреплённого на валу. Во время вращения вала создаётся поток света, который впоследствии принимается фотодатчиком.

    Абсолютный оптический датчик – это ДУП, в котором каждое положение вала имеет свой выходной цифровой код. Этот код является одним из основных параметров устройства. Данный датчик, как и инкрементный, вычисляет и закрепляет параметр движения оптического диска.

    Магнитные

    Магнитный энкодер регистрирует передвижение движущегося магнитного элемента, а именно его магнитных полюсов рядом с чувствительным элементом, переводя полученные данные в определённый сигнал.

    Механические

    Отличаются наличием диска, материал которого представлен диэлектриком, с нанесённым на него выпуклым или непрозрачным участком. В механической системе абсолютный угол считывается с помощью линейки переключателей/контактов, а в оптической с помощью линейки оптронов. Выходной сигнал представлен кодом Грея, позволяющим убрать неоднозначность интерпретируемого сигнала.

    Недостаток механического энкодера представляет собой дребезжание контактов, зачастую приводящий к неверному подсчёту и выявлению направления движения. Оптический и магнитный энкодеры не имеют этой особенности.

    Параметры

    Первоначальный параметр любого ДУПа представлен числом импульсов, получаемых за совершение одного оборота (разрешение/разрядность). Зачастую этот параметр равен 1024 за один оборот.

    Из других критериев можно выделить:

    • Напряжение – от пяти до 24В;
    • Вид вала – пустой, сплошной;
    • Размер вала/отверстия;
    • Вид выхода – транзисторный и другие;
    • Размер корпуса;
    • Вид крепления.


    Рисунок 4. Абсолютный оптический датчик

    Установка

    Энкодер устанавливают соответственно на валу, информацию которого необходимо получить. Для установки требуется специальная переходная муфта, с помощью которой можно скомпенсировать возможную разность в размерах с валом энкодера. Важно! Корпус ДУПа должен быть крепко зафиксирован.

    Для монтажных работ преобразователя с полым валом необходим другой способ. В таком варианте вал, информацию которого нужно получить, включён внутрь ДУПа и закрепляется в пустой втулке. Стоит учитывать, что у такого типа ДУП корпус не закрепляется.

    Подключение

    В самом лёгком варианте, если имеется возможность, выход преобразователя подключается к входу счётчика и программируется на параметр скорости.

    Однако обычно преобразователь используют вместе с контроллером. К нему присоединяют интересующие выходы. Далее программа определяет положение/скорость/ускорение объекта. К примеру, устройство установлено на электродвигательном валу, перемещающем один элемент в сторону другого. После вычислений на устройстве вывода виден зазор между элементами, при достижении которого движение элементов останавливается, для обеспечения их сохранности.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Читать еще:  Ступеньки на даче своими руками на склоне; потрясающие идеи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector