Энкодер - Rotary encoder
А поворотный энкодер, также называемый датчик положения вала, является электромеханический устройство, которое преобразует угловатый положение или движение вала или оси на аналоговые или цифровые выходные сигналы.[1]
Существует два основных типа энкодеров: абсолютный и инкрементальный. Выходной сигнал абсолютного энкодера показывает текущее положение вала, что делает его датчик угла. Выход инкрементального энкодера предоставляет информацию о движение вала, который обычно обрабатывается в другом месте в такую информацию, как положение, скорость и расстояние.
Датчики вращения используются в широком спектре приложений, которые требуют мониторинга или управления, или того и другого вместе, механических систем, включая промышленные системы управления, робототехника, фотографические линзы,[2] компьютерные устройства ввода, например оптомеханические мышей и трекболы, контролируемый стресс реометры, и вращая радар платформы.
Технологии
- Механический: Также известен как токопроводящие энкодеры. Ряд кольцевых медных дорожек, вытравленных на печатной плате, используется для кодирования информации с помощью контактных щеток, считывающих проводящие области. Механические энкодеры экономичны, но подвержены механическому износу. Они распространены в человеческих интерфейсах, таких как цифровые мультиметры.[3]
- Оптический: Используется свет, падающий на фотодиод через прорези в металлическом или стеклянном диске. Также существуют светоотражающие версии. Это одна из самых распространенных технологий. Оптические энкодеры очень чувствительны к пыли.
- На оси магнитный: В этой технологии обычно используется специально намагниченный двухполюсный неодимовый магнит, прикрепленный к валу двигателя. Поскольку его можно прикрепить к концу вала, он может работать с двигателями, у которых только 1 вал выходит из корпуса двигателя. Точность может варьироваться от нескольких градусов до менее 1 градуса. Разрешение может составлять от 1 градуса до 0,09 градуса (4000 CPR, количество за оборот).[4] Плохо спроектированная внутренняя интерполяция может вызвать дрожание на выходе, но это можно преодолеть с помощью внутреннего усреднения выборки.
- Внеосевой магнитный: В этой технологии обычно используются ферритовые магниты на резиновой связке, прикрепленные к металлической втулке. Это обеспечивает гибкость дизайна и низкую стоимость для индивидуальных приложений. Благодаря гибкости многих микросхем внеосевого энкодера, они могут быть запрограммированы на прием любого числа полюсов ширины, так что микросхему можно разместить в любом положении, требуемом для приложения. Магнитные энкодеры работают в суровых условиях, когда оптические энкодеры не работают.
Основные типы
Абсолютное
An абсолютный энкодер сохраняет информацию о местоположении при отключении питания от энкодера.[5] Положение энкодера доступно сразу после подачи питания. Взаимосвязь между значением энкодера и физическим положением управляемого оборудования устанавливается при сборке; Системе не нужно возвращаться к точке калибровки для поддержания точности положения.
Абсолютный кодировщик имеет несколько кодовых колец с различными двоичными весами, которые обеспечивают слово данных представляет абсолютное положение энкодера в пределах одного оборота. Этот тип энкодера часто называют параллельным абсолютным энкодером.[6]
Многооборотный абсолютный угловой энкодер включает в себя дополнительные кодовые колеса и шестерни. Колесо с высоким разрешением измеряет частичное вращение, а кодовые колеса с редуктором с низким разрешением регистрируют количество полных оборотов вала.[7]
Инкрементальный
An инкрементальный энкодер немедленно сообщит об изменении положения, что является важной возможностью в некоторых приложениях. Однако он не сообщает и не отслеживает абсолютное положение. В результате механическую систему, контролируемую инкрементным энкодером, возможно, придется домашний (перемещен в фиксированную контрольную точку) для инициализации измерений абсолютного положения.
Абсолютный энкодер
Абсолютный энкодер
Строительство
Цифровые абсолютные энкодеры создают уникальный цифровой код для каждого отдельного угла вала. Они бывают двух основных типов: оптические и механические.
Механические абсолютные энкодеры
Металлический диск, содержащий набор концентрических колец отверстий, закреплен на изолирующем диске, который жестко закреплен на валу. Ряд скользящих контактов прикреплен к неподвижному объекту, так что каждый контакт скользит по металлическому диску на разном расстоянии от вала. При вращении диска вместе с валом одни контакты касаются металла, а другие попадают в зазоры, в которых металл был вырезан. Металлический лист подключен к источнику электрический ток, и каждый контакт подключен к отдельному электрическому датчику. Металлический узор разработан таким образом, что каждое возможное положение оси создает уникальное бинарный код в котором одни контакты подключены к источнику тока (т. е. включены), а другие нет (т. е. выключены).
Поскольку контакты щеточного типа подвержены износу, энкодеры с контактами встречаются нечасто; их можно найти в низкоскоростных приложениях, таких как ручная регулировка громкости или регулировка в радиоприемнике.
Оптические абсолютные энкодеры
Диск оптического кодировщика изготовлен из стекла или пластика с прозрачными и непрозрачными участками. Источник света и матрица фотодетекторов в любой момент считывают оптический рисунок, который получается из положения диска.[8]В Код Грея часто используется. Этот код может быть прочитан управляющим устройством, например микропроцессор или микроконтроллер для определения угла вала.
Абсолютный аналоговый тип создает уникальный двойной аналоговый код, который можно преобразовать в абсолютный угол вала.
Магнитные абсолютные энкодеры
Магнитный энкодер использует ряд магнитных полюсов (2 или более) для представления положения энкодера для магнитного датчика (обычно магниторезистивный или на эффекте Холла). Магнитный датчик считывает положение магнитных полюсов.
Этот код может быть прочитан управляющим устройством, например микропроцессор или микроконтроллер для определения угла вала, аналогичный оптическому энкодеру.
Абсолютный аналоговый тип создает уникальный двойной аналоговый код, который может быть преобразован в абсолютный угол вала (с помощью специального алгоритма[нужна цитата ]).
Из-за характера записи магнитных эффектов эти кодировщики могут быть оптимальными для использования в условиях, когда другие типы кодировщиков могут выйти из строя из-за скопления пыли или мусора. Магнитные энкодеры также относительно нечувствительны к вибрациям, незначительным перекосам или ударам.
- Бесщеточная коммутация двигателя
Встроенные поворотные энкодеры используются для указания угла вала двигателя в постоянном магните. бесщеточные двигатели, которые обычно используются на ЧПУ машины, роботы, и другое промышленное оборудование. В таких случаях кодировщик служит устройством обратной связи, которое играет жизненно важную роль в правильной работе оборудования. Для бесщеточных двигателей требуется электронная коммутация, которая часто частично реализуется за счет использования магнитов ротора в качестве абсолютного энкодера с низким разрешением (обычно шесть или двенадцать импульсов на оборот). Полученная информация об угле вала передается сервоприводу, чтобы он мог в любой момент времени запитать соответствующую обмотку статора.
Емкостные абсолютные энкодеры
Диск асимметричной формы вращается внутри энкодера. Этот диск изменит емкость между двумя электродами, которые можно измерить и рассчитать обратно до углового значения.[9]
Абсолютный многооборотный энкодер
Многооборотный энкодер может обнаруживать и сохранять более одного оборота. Термин абсолютный многооборотный энкодер обычно используется, если энкодер обнаруживает движения своего вала, даже если энкодер не снабжен внешним источником питания.
Многооборотный энкодер с питанием от батареи
В энкодере этого типа используется батарея для сохранения отсчетов при включении питания. Он использует энергосберегающую электрическую схему для обнаружения движений.
Редукторный многооборотный энкодер
Эти энкодеры используют зубчатую передачу для механического запоминания числа оборотов. Положение отдельных шестерен определяется с помощью одной из вышеупомянутых технологий.[10]
Многооборотный энкодер с автономным питанием
Эти кодировщики используют принцип сбор энергии для выработки энергии от движущегося вала. Этот принцип, введенный в 2007 году,[11] использует Датчик Виганда для выработки электроэнергии, достаточной для питания энкодера и записи числа оборотов в энергонезависимую память.[12]
Способы кодирования положения вала
Стандартное двоичное кодирование
Ниже показан пример двоичного кода в чрезвычайно упрощенном кодировщике с тремя контактами.
| Сектор | Контакт 1 | Контакт 2 | Контакт 3 | Угол |
|---|---|---|---|---|
| 0 | выключенный | выключенный | выключенный | От 0 ° до 45 ° |
| 1 | выключенный | выключенный | НА | От 45 ° до 90 ° |
| 2 | выключенный | НА | выключенный | От 90 ° до 135 ° |
| 3 | выключенный | НА | НА | 135 ° до 180 ° |
| 4 | НА | выключенный | выключенный | От 180 ° до 225 ° |
| 5 | НА | выключенный | НА | От 225 ° до 270 ° |
| 6 | НА | НА | выключенный | От 270 ° до 315 ° |
| 7 | НА | НА | НА | От 315 ° до 360 ° |
В общем, где есть п контактов, количество различных позиций вала - 2п. В этом примере п равно 3, поэтому есть 2³ или 8 позиций.
В приведенном выше примере контакты производят стандартный двоичный счет при вращении диска. Однако у этого есть недостаток, заключающийся в том, что если диск останавливается между двумя соседними секторами или контакты не выровнены идеально, может быть невозможно определить угол вала. Чтобы проиллюстрировать эту проблему, рассмотрим, что происходит, когда угол вала изменяется с 179,9 ° на 180,1 ° (с сектора 3 на сектор 4). В какой-то момент, в соответствии с приведенной выше таблицей, схема контакта меняется с включения-выключения на включение-выключение-выключение. Однако на самом деле это не так. В практическом устройстве контакты никогда не выровнены идеально, поэтому каждый переключается в разные моменты. Если сначала переключается контакт 1, затем, например, контакт 3, а затем контакт 2, фактическая последовательность кодов будет следующей:
- off-on-on (исходное положение)
- on-on-on (сначала включается контакт 1)
- вкл-выкл (далее контакт 3 выключается)
- вкл-выкл-выкл (наконец, контакт 2 выключается)
Теперь посмотрим на сектора, соответствующие этим кодам, в таблице. По порядку это 3, 7, 6, а затем 4. Итак, из последовательности созданных кодов вал, похоже, перескочил из сектора 3 в сектор 7, затем перешел назад в сектор 6, затем снова назад в сектор 4, где мы и ожидали его найти. Во многих ситуациях такое поведение нежелательно и может привести к сбою системы. Например, если энкодер использовался в руке робота, контроллер подумает, что рука находится в неправильном положении, и попытается исправить ошибку, повернув ее на 180 °, что может привести к повреждению руки.
Серая кодировка
Чтобы избежать вышеуказанной проблемы, Серое кодирование используется. Это система двоичного счета, в которой любые два смежных кода отличаются только на одну битовую позицию. Для приведенного выше примера с тремя контактами версия с кодом Грея будет выглядеть следующим образом.
| Сектор | Контакт 1 | Контакт 2 | Контакт 3 | Угол |
|---|---|---|---|---|
| 0 | выключенный | выключенный | выключенный | От 0 ° до 45 ° |
| 1 | выключенный | выключенный | НА | От 45 ° до 90 ° |
| 2 | выключенный | НА | НА | От 90 ° до 135 ° |
| 3 | выключенный | НА | выключенный | 135 ° до 180 ° |
| 4 | НА | НА | выключенный | От 180 ° до 225 ° |
| 5 | НА | НА | НА | От 225 ° до 270 ° |
| 6 | НА | выключенный | НА | От 270 ° до 315 ° |
| 7 | НА | выключенный | выключенный | От 315 ° до 360 ° |
В этом примере переход от сектора 3 к сектору 4, как и все другие переходы, вовлекает только один из контактов, изменяющий свое состояние с включенного на выключенное или наоборот. Это означает, что последовательность неверных кодов, показанная на предыдущем рисунке, невозможна.
Однодорожечное кодирование серого
Если конструктор перемещает контакт в другое угловое положение (но на такое же расстояние от центрального вала), то соответствующий «кольцевой узор» необходимо повернуть на тот же угол, чтобы получить тот же результат. Если самый старший бит (внутреннее кольцо на рисунке 1) достаточно повернуть, он точно соответствует следующему кольцу. Поскольку оба кольца в этом случае идентичны, внутреннее кольцо можно не устанавливать, а датчик для этого кольца перемещать на оставшееся идентичное кольцо (но смещено под этим углом от другого датчика на этом кольце). Эти два датчика на одном кольце образуют квадратурный энкодер с одним кольцом.
Можно расположить несколько датчиков вокруг одной дорожки (кольца), чтобы последовательные положения различались только у одного датчика; результат однопутный код Грея кодировщик.
Методы вывода данных
В зависимости от устройства и производителя абсолютный кодировщик может использовать любой из нескольких типов сигналов и протоколов связи для передачи данных, включая параллельный двоичный код, аналоговые сигналы (ток или напряжение) и системы последовательной шины, такие как SSI, BiSS, Heidenhain EnDat, Sick-Stegmann Гиперфейс, DeviceNet, Modbus, Profibus, CANopen и EtherCAT, которые обычно используют Ethernet или физические уровни RS-422 / RS-485.
Инкрементальный энкодер
Роторный инкрементальный энкодер является наиболее широко используемым из всех поворотных энкодеров из-за его способности предоставлять информацию о местоположении в реальном времени. Разрешение измерения инкрементального энкодера никоим образом не ограничивается его двумя внутренними инкрементными датчиками движения; на рынке можно найти инкрементальные энкодеры с числом отсчетов до 10 000 на оборот или более.
Поворотные инкрементальные энкодеры сообщают об изменениях положения без соответствующего запроса, и они передают эту информацию со скоростью передачи данных, которая на порядки выше, чем у большинства типов абсолютных энкодеров вала. По этой причине инкрементальные энкодеры обычно используются в приложениях, требующих точного измерения положения и скорости.
В инкрементальном энкодере могут использоваться механические, оптические или магнитные датчики для обнаружения изменений положения вращения. Механический тип обычно используется в качестве ручного управления «цифровым потенциометром» на электронном оборудовании. Например, современные домашние и автомобильные стереосистемы обычно используют механические поворотные энкодеры в качестве регуляторов громкости. Для энкодеров с механическими датчиками требуется переключатель противодействие и, следовательно, ограничены в скорости вращения, с которой они могут справиться. Оптический тип используется, когда встречаются более высокие скорости или требуется более высокая степень точности.
Вращающийся инкрементальный энкодер имеет два выходных сигнала, A и B, которые выдают периодический цифровой сигнал в квадратуре при вращении вала энкодера. Это похоже на синусоидальные энкодеры, которые выводят синусоидальные сигналы в квадратуре (т. Е. Синус и косинус),[13] таким образом объединяя характеристики кодировщика и решатель. Частота формы сигнала указывает скорость вращения вала, а количество импульсов указывает пройденное расстояние, тогда как соотношение фаз A-B указывает направление вращения.
Некоторые инкрементальные энкодеры имеют дополнительный «индексный» выход (обычно обозначаемый Z), который излучает импульс, когда вал проходит под определенным углом. После каждого поворота сигнал Z утверждается, обычно всегда под одним и тем же углом, до следующего изменения состояния AB. Это обычно используется в радиолокационных системах и других приложениях, где требуется регистрационный сигнал, когда вал энкодера расположен под определенным опорным углом.
В отличие от абсолютных энкодеров, инкрементальный энкодер не отслеживает и не показывает абсолютное положение механической системы, к которой он прикреплен. Следовательно, чтобы определить абсолютное положение в любой конкретный момент, необходимо «отслеживать» абсолютное положение с помощью интерфейс инкрементального энкодера.
Недорогие инкрементальные энкодеры используются в механические компьютерные мыши. Обычно используются два кодировщика: один для определения движения влево-вправо, а другой для определения движения вперед-назад.
Другие поворотные энкодеры с импульсным выходом
Датчики вращения с одним выходом (т. Е. тахометры ) не может использоваться для определения направления движения, но подходят для измерения скорости и измерения положения, когда направление движения постоянно. В некоторых приложениях они могут использоваться для измерения расстояния движения (например, футов движения).
Смотрите также
Аналоговые устройства, которые выполняют аналогичную функцию, включают синхронизация, то решатель, то поворотно-регулируемый дифференциальный трансформатор (РВДТ), а поворотный потенциометр.
А линейный энкодер похож на поворотный энкодер, но измеряет положение по прямой, а не вращение. Линейные энкодеры часто используют инкрементное кодирование и используются во многих станках.
Рекомендации
- ^ Мюррей, Майк (15 декабря 2019 г.). «Как работают энкодеры». Компьютерный паб. Получено 3 сентября 2019.
- ^ "Новинка - поворотный энкодер". Архивировано из оригинал на 2013-10-05. Объектив видеокамеры Canon, используемый для управления зумом и диафрагмой
- ^ "Руководство дизайнера по кодировщикам". digikey.com. 19 апреля 2012 г.. Получено 23 ноября 2019.
- ^ "Магнитный высокоскоростной бесконтактный квадратурный энкодер MassMind V2". MassMind.org. 10 января 2018 г.. Получено 12 июля 2019.
- ^ Эйтель, Элизабет. Основы энкодеров: обзор и новые технологии | Журнал Machine Design, 7 мая 2014 г. Дата обращения: 30 июня 2014 г.
- ^ Руководство пользователя тестовой системы последовательного / инкрементального энкодера TI-5000EX[постоянная мертвая ссылка ], Mitchell Electronics, Inc.
- ^ Г. К. Макмиллан, Д. М. Консидайн (ред.) Справочник по технологическим приборам и средствам управления, пятое издание, Макгроу Хилл 1999, ISBN 978-0-07-012582-7, стр. 5.26
- ^ "кодировщики" (PDF). п. 12. Получено 20 февраля 2013.
- ^ «Емкостной абсолютный энкодер» (PDF). Камилла Бауэр. Получено 20 февраля 2013.
- ^ Роберт, Репас. «Многооборотные абсолютные энкодеры». machinedesign.com. Получено 20 февраля 2013.[постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «Новая технология дает кодировщик, который никогда не забывает». журнал. www.motioncontrol.co.za. 2007 г.. Получено 20 февраля 2013.
- ^ "White Paper Магнитный кодировщик" (pdf). FRABA Inc. стр. 3. Получено 13 февраля 2013.
- ^ Коллинз, Даниэль. "Что такое синусоидальный кодировщик (он же синусо-косинусный кодировщик)?". Мир дизайна. Получено 19 августа 2020.
дальнейшее чтение
- Уиндер, К. Фаррелл (октябрь 1959 г.). «Датчики угла вала обеспечивают высокую точность» (PDF). Электронная промышленность. Компания Чилтон. 18 (10): 76–80. Получено 2018-01-14.
- Военный справочник: энкодеры - угол вала до цифрового (PDF). Министерство обороны США. 1991-09-30. MIL-HDBK-231A. В архиве (PDF) из оригинала на 2020-07-25. Получено 2020-07-25. (Примечание. Заменяет MIL-HDBK-231 (AS) (1970-07-01).)
внешняя ссылка
- «Выбор кодового колеса: подробный обзор работы кодировщиков» статья Стива Трэхи 25 марта 2008 г. описывает «энкодеры».
- «Кодеры обеспечивают ощущение места» статья Джека Гэнссла 19.07.2005 описывает "нелинейные кодировщики".
- «Роботы-кодеры».
- Вводное руководство по ШИМ и квадратурному кодированию.
- Revotics - понимание квадратурного кодирования - Охватывает детали вращательного и квадратурного кодирования с акцентом на роботизированные приложения.
- Как работает поворотный энкодер - Видео с объяснением того, как работает поворотный энкодер, а также как использовать его с микроконтроллером Arduino.