Измеряя параметры вращения: энкодеры Bourns

Что такое энкодер

Энкодер (преобразователь угловых перемещений) – это электронное устройство, позволяющее с необходимой точностью измерить различные параметры вращения какой-либо детали, как правило, вала электродвигателя или редуктора.
Измеряемыми параметрами могут быть: скорость вращения, угловое положение по отношению к нулевой метке, направление вращения. Фактически энкодер является датчиком обратной связи, на выходе которого цифровой сигнал меняется в зависимости от угла поворота. Этот сигнал обрабатывается и далее подается на устройство индикации или на привод.

Виды энкодеров

Существуют два вида энкодеров – инкрементальный и абсолютный.

Инкрементальный энкодер по конструкции проще абсолютного и используется в подавляющем большинстве случаев. Данное устройство можно представить как диск с прорезями, который просвечивается оптическим датчиком. При вращении диска датчик включается или выключается в зависимости от того, находится ли он над прорезью или нет. В результате на выходе энкодера формируется последовательность дискретных импульсов, частота которых зависит от разрешения устройства (см. ниже) и частоты его вращения.

Для того, чтобы определять начальное положение (точку отсчета), используется нуль-метка (выход Z, Zero), которая формируется один раз на полный оборот. Для определения направления вращения у энкодеров обычно имеются два выхода (А и В), на которых импульсы сдвинуты по фазе на четверть периода. По разнице фаз можно однозначно определить, в какую сторону вращается вал.

Основным минусом инкрементального энкодера является необходимость непрерывной обработки и анализа сигналов — для этого требуется контроллер и соответствующая программа. Кроме того, чтобы узнать положение инкрементального энкодера после подачи на него питания, необходимо провести инициализацию для поиска нуль-метки.

Абсолютный энкодер имеет более сложное устройство, но позволяет определить угол поворота в любой момент времени, даже в неподвижном состоянии механизма сразу после включения питания. На выходе абсолютного энкодера действует параллельный код Грея, разрядность которого определяет разрешение, а значит и точность показаний датчика.

Принцип действия абсолютного энкодера

Абсолютный энкодер относится к типу энкодеров, который выполняет уникальный код для каждой позиции вала. В отличие от инкрементного энкодера, счетчик импульсов не нужен, т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал как во время вращения, так и в режиме покоя.

Абсолютный энкодер (рис. 2.55) не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию.

Сигнал абсолютного энкодера не подвержен помехам и для него не требуется точная установка вала. Кроме того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером, если, например, вал вращается слишком быстро, правильный угол вращения будет зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный энкодер устойчив к вибрациям.

Рис. 2.55. Конструкция абсолютного однооборотного энкодера

Диск абсолютного энкодера (рис. 2.56) отличается от диска пошагового энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

Рис. 2.56. Кодовый диск абсолютного энкодера

Двоичный код является многошаговым кодом. Это означает, что при переходе с одного положения (значения) в другое могут изменяться несколько бит одновременно. Например, число 3 в двоичном коде равно 011. Число же 4 в двоичном коде равно 100. Соответственно, при переходе от 3 к 4 меняют свое состояние на противоположное все 3 бита одновременно. Считывание такого кода с кодового диска привело бы к тому, что из-за неизбежных отклонений при производстве кодового диска изменение информации от каждой из дорожек в отдельности никогда не произойдет одновременно. Это, в свою очередь, привело бы к тому, что при переходе от одного числа к другому кратковременно будет выдана неверная информация. Так при вышеупомянутом переходе от числа 3 к числу 4 очень вероятна кратковременная выдача числа 7, когда, например, старший бит во время перехода поменял свое значение немного раньше, чем остальные. Таким образом, использование обычного двоичного кода может привести к большим погрешностям, так как две соседние кодовые комбинации могут отличаться друг от друга не в одном, а в нескольких разрядах. Чтобы избежать этого применяется так называемый одношаговый код, например, так называемый Грей-код. Код Грея предпочтительнее обычного двоичного тем, что обладает свойством непрерывности бинарной комбинации: изменение кодируемого числа на единицу соответствует изменению кодовой комбинации только в одном разряде. Он строится на базе двоичного по следующему правилу: старший разряд остается без изменения; каждый последующий разряд инвертируется, если предыдущий разряд исходного двоичного кода равен единице. Этот алгоритм построения может быть формально представлен как результат сложения по модулю два исходной комбинации двоичного кода с такой же комбинацией, но сдвинутой на один разряд вправо. При этом крайний правый разряд сдвинутой комбинации отбрасывается.

Таким образом, Грей-код является так называемым одношаговым кодом, т.к. при переходе от одного числа к другому всегда меняется лишь какой-то один бит. Погрешность при считывании информации с механического кодового диска при переходе от одного числа к другому приведет лишь к тому, что переход от одного положения к другом будет лишь несколько смещен по времени, однако выдача совершенно неверного значения углового положения при переходе от одного положения к другому полностью исключается.

Преимуществом Грей-кода является также его способность зеркального отображения информации. Так, инвертируя старший бит можно простым образом менять направление счета и, таким образом, подбирать к фактическому (физическому) направлению вращения оси. Выдаваемое значение может быть возрастающим или спадающим при одном и том же физическом направлении вращения оси.

Поскольку информация, выраженная в Грей-коде, имеет чисто кодированный характер не несущей реальной числовой информации, должен он перед дальнейшей обработкой сперва преобразован в стандартный бинарный код. Осуществляется это при помощи преобразователя кода (декодера Грей-Бинар), который к счастью легко реализуется с помощью цепи из логических элементов «исключающее или» как программным, так и аппаратным способом.

Из табл. 2.3 видно, что при переходе от одного числа к другому (соседнему) лишь один бит информации меняет свое состояние, если число представлено кодом Грея, в то время, как в двоичном коде могут поменять свое состояние несколько бит одновременно. Код Грея – выход, следовательно, он никогда не имеет ошибку чтения и применяется во многих абсолютных энкодерах.

Таблица 2.3

Таблица перевода двоичного кода в код Грея

Импульсные энкодеры

Данные типы энкодеров предназначены для указания направления движения и/или углового перемещения внешнего механизма. Пошаговый энкодер периодически формирует импульсы, соответствующие углу вращения вала. Этот тип энкодеров, в отличие от абсолютных, не формирует выходные импульсы, когда его вал находится в покое. Пошаговый энкодер связан со счетным устройством, это необходимо для подсчета импульсов и преобразования их в меру перемещения вала.

Пошаговый оптический энкодер состоит из следующих компонентов: источника света, диска с метками, фототранзисторной сборки и схемы обработки сигнала. Диск пошагового энкодера подразделен на точно позиционированные отметки. Количество отметок определяет количество импульсов за один оборот. К примеру, если диск поделен на 1000 меток, тогда за 250 импульсов вал должен повернуться на 90 градусов.

Пошаговый энкодер может быть классифицирован в однофазный тип (только канал выход), который может быть использован, чтобы считать сумму импульсов или определять ускорение. Рассматривая интервал между импульсами и квадратурой энкодера (каналов A и выход B), можно также определить направление вращения вала (по-, или против часовой стрелки). Тип энкодера с нулевым индексом выхода (канал N) выдает импульс нулевой отметки за один оборот, чтобы корректировать ошибки в пределах каждого оборота. Более высокое разрешение (в два или в четыре) получается подсчетом как переднего, так и заднего края меток. Канал A и B генерирует импульсы с фазами, смещенными относительно друг друга на 90 градусов.

2.12.4. Принцип действия импульсных энкодеров с угловым перемещением

Принцип работы преобразователей угловых перемещений основан на регистрации относительной величины прошедшего через растровое сопряжение потока оптического излучения как координатной-периодической функции взаимного углового положения регулярного растра шкалы и растров окон анализатора.

Преобразователь (рис. 2.57) имеет два кинематически связанных функциональных звена: радиальную растровую шкалу 1

, жестко связанную с валом преобразователя, и растровый анализатор
2
неподвижного считывающего узла. Радиальная растровая шкала (далее везде лимб) содержит две концентрические информационные дорожки: регулярного растра и референтной метки
8
.

Растровый анализатор содержит окна инкрементного считывания и референтную метку 10

. Окна позиционно согласованы с дорожкой регулярного растра лимба и имеют внутри растры с шагом, равным шагу регулярного растра лимба. При этом, в каждой паре окон растры смещены друг относительно друга на величину равную половине их шага, а взаимный пространственный сдвиг растров между парами окон составляет четверть шага растров. Последовательно с растровыми окнами расположено прозрачное окно
9
. Референтная метка
10
позиционно согласована с дорожкой референтных меток лимба. Считывающий узел решает задачу реализации оптических растровых и кодовых сопряжений, информативно соответствующих величине углового перемещения, и задачу считывания, обработки и анализа текущих значений оптически информативных параметров указанных сопряжений.

Рис. 2.57. Устройство импульсного энкодера углового перемещения: 1

– радиальная растровая шкала;
2
– растровый анализатор;
3
,
4
– излучающие диоды;
5
,
6
– квадрантные фотодиоды;
7
– конденсор;
8
,
10
– референтные метки;
9
– прозрачное окно

Конструктивно эти задачи решает инкрементный узел преобразователя перемещений. Первую из них решает механическая часть этого узла, обеспечивая необходимую точность растрового сопряжения лимба и анализатора, а также соосность последних по отношению к оси вращения вала. Вторую – реализуют осветители, фотоприемники и плата электрической схемы выделения и обработки информации о перемещении. Излучающий диод 3

, конденсор
7
, формирующий параллельный пучок лучей осветителя, окна анализатора и фотоприемник
6
образуют так называемый канал считывания. Требование повышенной точности преобразователей перемещений диктует применение двух или четырех диаметрально расположенных каналов считывания.

2.12.5. Принцип действия преобразователей линейных перемещений

В основу работы преобразователей линейного перемещения (рис. 2.58) положен метод оптоэлектронного сканирования штриховых растров. При относительном перемещении шкалы 1

и анализатора
3
сопряжения регулярного растра шкалы с растрами анализатора модулируют проходящий через них потоки излучения, воспринимаемые соответствующими фотоприемниками. Растровая шкала содержит две параллельные информационные дорожки: регулярного растра и референтных меток.

Рис. 2.58. Устройство импульсного энкодера линейного перемещения: 1

– шкала;
2
– плата фотоприемников (кремниевые фотодиоды);
3
– растровый анализатор (пластина индикаторная);
4
– плата осветителей (инфракрасные излучатели)

Растровый анализатор содержит 4

окна инкрементного считывания и окно референтной метки Б. Названные выше 4 окна позиционно согласованы с дорожкой регулярного растра шкалы. Шаги растров в окнах равны шагам регулярного растра шкалы (20 мкм или 40 мкм). При этом в каждой паре окон растры смещены друг относительно друга на величину, равную половине их шага, а взаимный пространственный сдвиг растров между парами окон составляет четверть шага растров. Последовательно с растровыми окнами расположено прозрачное окно. Референтная метка Б позиционно согласована с дорожкой референтных меток шкалы (рис. 2.59).

Рис. 2.59. Шкала импульсного энкодера линейного перемещения

Считывающий узел (считывающая головка) преобразователя перемещений решает задачу реализации оптических растровых и кодовых сопряжений, информативно соответствующих величине линейного перемещения, а также задачу считывания, обработки и анализа текущих значений оптически информативных параметров указанных сопряжений.

Конструктивно первую задачу решает каретка, жестко связанная с анализатором, находящаяся через подшипники качения в постоянном контакте со шкалой, что делает возможным относительное перемещение шкалы и анализатора. Вторую задачу реализуют платы фотоприемников 2

и осветителей
4
, установленные на ту же каретку, и плата электрической схемы выделения и обработки информации о перемещении, расположенная в корпусе считывающей головки. Плата осветителей содержит шесть излучающих диодов, обеспечивающих засветку соответствующих окон анализатора, и пространственно согласованных с ними приемных площадок шести фотодиодов платы
2
.

Основные параметры, необходимые для выбора энкодера:

количество импульсов на оборот (обычно от 1 до 5000);

количество бит для абсолютных энкодеров (обычно 10, 12, 13, 25);

диаметр вала или отверстия под вал;

тип выходного сигнала (HTL, TTL, RS422, двоичный код и код Грея, SSI, Profibus DP, CAN и др.);

напряжение питания;

длина кабеля и тип разъёма;

дополнительные требования по крепежу (необходимость муфты, монтажного фланца, крепёжной штанги и др.).

Сейчас все большее распространение получают энкодеры с полым валом – их легче устанавливать, удобнее настраивать и обслуживать. Нужно отметить, что срок службы энкодера при правильном монтаже и подключении должен составлять не менее 50 000 часов, т.е. почти 6 лет.

2.13. Датчики технологических параметров текстильного производства

2.13.1. ИК измерители влажности волокнистых материалов

Лучевые методы измерения влажности волокнистых материалов (ВМ) реализуются в основном двумя способами: по отраженному от поверхности ВМ потоку излучения или его поглощению при прохождении через слой ВМ, т. е. по ослаблению потока излучения [16]. На рис. 2.60 приведены кривые значений логарифмов коэффициентов отражения (кривая 1) и пропускания (кривая 2) ИК излучения через ВМ с постоянной влажностью и увеличивающейся плотностью, из которых видно, что интенсивность отраженного ИК потока для поверхностной плотности ВМ до 100 – 150 г/м2 возрастает. При дальнейшем увеличении плотности ВМ более 150 г/м2 интенсивность отраженного потока практически не изменяется.

Рис. 2.60. Зависимость интенсивности отраженного и прошедшего ИК-излучения от поверхностной плотности исследуемого материала с постоянной влажностью

Для уменьшения влияния плотности материала на результаты измерений влажности ВМ применяются двухволновые однолучевые влагомеры с разделенными источниками излучения (светодиодами) с длиной аналитической волны излучения l1 = 1,93 мкм и опорной l2 = 1,76 мкм. Обобщенная схема такого влагомера представлена на рис. 2.61. Эта схема была взята за основу при использовании в качестве ОЭП плоского световода.

Датчик влагомера состоит из фотоприемника 1

с предусилителем и двух светодиодов
2
и
3
, соединенных световодом
4
, который образует с фотоприемником оптический канал
5
для измерения влажности исследуемого материала.

Влагомер работает следующим образом [18]: светодиоды через усилители мощности 6

и
7
попеременно подключаются к блоку импульсного питания
8
, который также управляет работой ключей схемы селекции
9
. На фотоприемник
1
через световод
4
и оптический канал
5
с исследуемым материалом поступают последовательные импульсы светового потока опорной и аналитической длин волн, которые преобразуются в последовательность электрических импульсов и , поступающих на усилитель
10
и затем через схему селекции
9
на регистрирующее устройство
11
. Прохождение сигнала через схему селекции определяется пороговым элементом
12
, находящимся в режиме контроля влажности в первом устойчивом состоянии. Пороговый элемент
12
открывает ключи
13
и
14
и закрывает ключи
15
и
16
.

Рис. 2.61. Схема двухволнового однолучевого влагомера с разделенными источниками излучения на светодиодах

При выводе исследуемого материала за пределы оптического канала 5

осуществляется автоматическая стабилизация параметров каналов опорного и аналитического сигналов независимо от влияния окружающей среды и старения элементов устройства. Это осуществляется следующим образом. Сигнал на выходе усилителя
10
возрастает до максимального значения , что соответствует световым потокам и . Этот сигнал перебрасывает пороговый элемент
12
во второе устойчивое состояние так, что ключи
15
и
16
открываются, а ключи
13
и
14
закрываются. При этом в ячейках памяти
17
и
18
запоминаются соответственно значения и , а на регистрирующем устройстве сохраняется результат последнего значения контролируемой влажности.

Последовательность электрических импульсов и с усилителя 10

разделяется ключами
15
и
16
, управляемыми блоком импульсного питания
8
, на составляющие и , которые поступают на ячейки памяти
19
и
20
,затем соответственно на блоки сравнения
21
и
22
, где сравниваются с опорным сигналом . Сигналы рассогласования с блоков сравнения поступают на входы управления усилителей мощности
6
и
7
и определяют амплитуду импульсов питания светодиодов. Система автоподстройки, таким образом, поддерживает излучение светодиодов так, чтобы сигналы и были постоянными и равными независимо от влияния внешних факторов.

При вводе исследуемого материала в оптический канал 5

уровень сигнала на выходе усилителя
10
уменьшается, что вызывает переброс порогового элемента
12
в первое устойчивое состояние. При этом в ячейках памяти
19
и
20
запоминаются значения и , тем самым во время контроля влажности световые потоки, падающие на исследуемый материал, поддерживаются равными и .

Градуировочной характеристикой влагомера является зависимость показаний прибора от влагосодержания (влажности) исследуемого материала .

Основные параметры

Главный параметр любого энкодера – разрешение, то есть количество импульсов (для абсолютного преобразователя – разрядность, или количество бит) на один оборот. Довольно часто используются преобразователи с разрешением 1024 импульса на оборот.

Прочие параметры:

• напряжение питания – от 5 до 24 В
• тип вала – сплошной, полый, без вала (сквозное отверстие)
• диаметр вала или отверстия
• тип выхода – как правило, транзисторный выход с открытым коллектором
• также учитываются размер корпуса, тип крепления и степень защиты

Также учитываются размер корпуса, тип крепления и степень защиты.

Применение инкрементальных энкодеров

Применение инкрементальных энкодеров целесообразно в любых мощных электроприводах систем точного перемещения или систем, критичных к скоростным и пуско-тормозным режимам. В таких приводах необходима точная информация о параметрах движения рабочего органа:

• в приводах станков по изготовлению бумаги и картона;
• в аппаратах любых видов упаковки и дозирования;
• в приводах лесозаготовительных и деревообрабатывающих машин;
• в приводах оборудования прокатного производства: обжимных валков, рольгангов, кантователей, опрокидывателей;
• в приводах подъёмных кранов, подъёмников и лифтов;
• в приводах металлообрабатывающих станков, бурового и строительного оборудования;
• в робототехнических комплексах и транспортерах на сборочном производстве и т.п.

Привлекательными сторонами применения инкрементальных энкодеров являются их универсальность при широком выборе типоразмеров, относительная дешевизна и простота монтажа.

Выбор инкрементального энкодера с целью интеграции его в систему управления технологическим объектом предусматривает решение следующих основных вопросов:

• точность измерения – количество импульсов на один оборот вала энкодера;
• диаметр и тип вала энкодера, необходимость дополнительных муфт, фланцев и т.п.;
• длина кабеля и тип выходного разъёма, степень защиты устройства;
• напряжение питания, тип выходного сигнала;
• вопросы сигнальной связи энкодера с системой: необходимость программирования энкодера, программное согласование цикличности передачи результатов измерений с частотой опроса входов применяемого контроллера или работа в стандартном интерфейсе и т.п.

Очевидная сложность комплексного технического решения при необходимости известной экономии требует значительной эрудиции и опыта в решении подобных ситуаций. Воспользуйтесь помощью и консультациями специалистов . Они изучат проблему, проконсультируют по интересующему Вас оборудованию и предложат оптимальные решения.

Выбрать и купить инкрементальный энкодер вы можете в интернет-магазине РусАвтоматизация …

Монтаж

Энкодер крепится на валу, параметры вращения которого измеряются. Для монтажа используется специальная переходная муфта, позволяющая компенсировать возможную несоосность с валом энкодера, при этом его корпус должен быть жестко зафиксирован.

Другой вариант крепежа подходит для преобразователей с полым валом. В этом случае вал, параметры вращения которого подлежат измерению, непосредственно входит внутрь преобразователя и фиксируется в полой втулке либо в сквозном отверстии. В данном случае корпус энкодера не фиксируется, за исключением какой-либо пластины или ограничителя, не позволяющей ему вращаться.