Датчик вращения , также называемый вал кодер , является электромеханическое устройство , которое преобразует угловое положение или движение вала или оси в аналоговых или цифровых выходных сигналов. [1]
Существует два основных типа энкодеров: абсолютный и инкрементальный. Выходной сигнал абсолютного энкодера показывает текущее положение вала, что делает его преобразователем угла . Выходные данные инкрементального энкодера предоставляют информацию о движении вала, которая обычно обрабатывается в другом месте в такую информацию, как положение, скорость и расстояние.
Поворотные энкодеры используются в широком спектре приложений, которые требуют мониторинга или управления механическими системами, или и того, и другого, включая промышленные средства управления, робототехнику , фотографические линзы , [2] компьютерные устройства ввода, такие как оптомеханические мыши и трекболы , реометры с контролируемым напряжением и вращающиеся радиолокационные платформы.
Технологии [ править ]
- 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 : здесь 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.
- Осевой 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 количества полюсов ширины, поэтому микросхему можно разместить в любом положении, требуемом для приложения. Магнитные энкодеры работают в суровых условиях, когда оптические энкодеры не работают.
Основные типы [ править ]
Абсолютный [ править ]
Абсолютный датчик сохраняет информацию о местоположении при отключении питания от кодера. [5] Положение энкодера доступно сразу после подачи питания. Взаимосвязь между значением энкодера и физическим положением управляемого оборудования устанавливается при сборке; Системе не нужно возвращаться в точку калибровки для поддержания точности положения.
Абсолютный энкодер имеет несколько кодовых колец с различными двоичными весовыми коэффициентами, которые обеспечивают слово данных, представляющее абсолютное положение энкодера в пределах одного оборота. Этот тип энкодера часто называют параллельным абсолютным энкодером. [6]
Многооборотный абсолютный угловой энкодер включает дополнительные кодовые колеса и зубчатые колеса. Колесо с высоким разрешением измеряет частичное вращение, а кодовые колеса с редуктором с низким разрешением регистрируют количество полных оборотов вала. [7]
Инкрементальный [ править ]
Инкрементный датчик будет немедленно сообщать об изменениях в положении, которое является одним из важнейших возможностей в некоторых приложениях. Однако он не сообщает и не отслеживает абсолютное положение. В результате механическая система, контролируемая инкрементным энкодером, может быть переведена в исходное положение (перемещена в фиксированную контрольную точку) для инициализации измерений абсолютного положения.
Абсолютный энкодер [ править ]
Абсолютный датчик угла поворота [ править ]
Строительство [ править ]
Цифровые абсолютные энкодеры создают уникальный цифровой код для каждого отдельного угла вала. Они бывают двух основных типов: оптические и механические.
Механические абсолютные энкодеры [ править ]
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 некоторые контакты касаются металла, а другие попадают в зазоры, в которых металл был вырезан. Металлический лист подключается к источнику электрического тока , и каждый контакт подключается к отдельному электрическому датчику. Металлический рисунок разработан таким образом, что каждое возможное положение оси создает уникальный двоичный 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 [ править ]
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] Серый код часто используется. Этот код может быть прочитан управляющим устройством, например микропроцессором или микроконтроллером, для определения угла вала.
Абсолютный аналоговый тип создает уникальный двойной аналоговый код, который можно преобразовать в абсолютный угол вала.
Магнитные абсолютные энкодеры [ править ]
Магнитный кодировщик использует ряд магнитных полюсов (2 или более) для представления положения кодировщика на магнитном датчике (обычно магниторезистивном или на эффекте Холла). Магнитный датчик считывает положение магнитных полюсов.
Этот код может быть прочитан управляющим устройством, таким как микропроцессор или микроконтроллер, для определения угла вала, аналогично оптическому энкодеру.
Абсолютный аналоговый тип производит уникальный двойной аналоговый код, который может быть переведен в абсолютный угол вала (с помощью специального алгоритма [ необходима ссылка ] ).
Из-за природы 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 энкодеры используются для указания угла вала двигателя в бесщеточных двигателях с постоянными магнитами , которые обычно используются на станках с ЧПУ , роботах и другом промышленном оборудовании. В таких случаях кодировщик служит устройством обратной связи, которое играет жизненно важную роль в правильной работе оборудования. Бесщеточные двигатели требуют электронной коммутации, 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 [ править ]
Диск асимметричной формы вращается внутри энкодера. Этот диск изменит емкость между двумя электродами, которую можно измерить и рассчитать, обратно до углового значения. [9]
Абсолютный многооборотный энкодер [ править ]
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 [ править ]
В энкодере этого типа используется батарея для сохранения отсчетов при включении питания. Он использует энергосберегающую электрическую схему для обнаружения движений.
Многооборотный энкодер с редуктором [ править ]
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 [ править ]
Эти кодировщики используют принцип сбора энергии для выработки энергии от движущегося вала. Этот принцип, введенный в 2007 г. [11], использует датчик Виганда для выработки электроэнергии, достаточной для питания энкодера и записи числа оборотов в энергонезависимую память. [12]
Способы кодирования положения вала [ править ]
Стандартная двоичная кодировка [ править ]
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 ° |
Как правило, если имеется n контактов, количество различных положений вала равно 2 n . В этом примере n равно 3, поэтому имеется 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 [ править ]
Чтобы избежать вышеуказанной проблемы, используется кодировка Грея . 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.
Однодорожечная кодировка серого [ править ]
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; В результате получился однодорожечный кодировщик кода Грея .
Способы вывода данных [ править ]
В зависимости от устройства и производителя абсолютный энкодер может использовать любой из нескольких типов сигналов и протоколов связи для передачи данных, включая параллельные двоичные, аналоговые сигналы (ток или напряжение) и системы последовательной шины, такие как SSI , BiSS , Heidenhain EnDat, Sick. -Stegmann Hiperface, DeviceNet , Modbus , Profibus , CANopen и EtherCAT , которые обычно используют физические уровни Ethernet или RS-422 / RS-485.
Инкрементальный энкодер [ править ]
Вращающийся инкрементальный энкодер является наиболее широко используемым все энкодерами благодаря своей способности предоставлять информацию о местоположении в реальное время. Разрешение измерения инкрементального энкодера никоим образом не ограничивается его двумя внутренними инкрементальными 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. Энкодеры с механическими датчиками требуют дребезга переключателя 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 энкодера и резольвера . Частота формы сигнала указывает скорость вращения вала, а количество импульсов указывает пройденное расстояние, тогда как соотношение фаз AB 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, для определения абсолютного положения в любой конкретный момент необходимо «отслеживать» абсолютное положение с помощью интерфейса инкрементального энкодера .
Недорогие инкрементальные энкодеры используются в механических компьютерных мышах . Обычно используются два кодировщика: один для определения движения влево-вправо, а другой для определения движения вперед-назад.
Другие поворотные энкодеры с импульсным выходом [ править ]
Датчики вращения с одним выходом (т. Е. Тахометры ) не могут использоваться для определения направления движения, но подходят для измерения скорости и положения при постоянном направлении движения. В некоторых приложениях они могут использоваться для измерения расстояния движения (например, футов движения).
См. Также [ править ]
Аналоговые устройства, которые выполняют аналогичную функцию, включают синхронизатор , резольвер , поворотно-регулируемый дифференциальный трансформатор (RVDT) и поворотный потенциометр .
Линейный датчик похож на угловой кодер, но положение меры по прямой линии, а не вращение. Линейные энкодеры часто используют инкрементное кодирование и используются во многих станках.
Ссылки [ править ]
- ↑ Мюррей, Майк (15 декабря 2019 г.). «Как работают датчики вращения» . Компьютерный паб . Дата обращения 3 сентября 2019 .
- ^ "Новинка - поворотный энкодер" . Архивировано из оригинала на 2013-10-05. Объектив видеокамеры Canon, используемый для управления зумом и диафрагмой
- ^ «Руководство дизайнера по кодировщикам» . digikey.com . 19 апреля 2012 . Проверено 23 ноября 2019 года .
- ^ "Магнитный высокоскоростной бесконтактный квадратурный энкодер MassMind V2" . MassMind.org . 10 января 2018 . Проверено 12 июля 2019 .
- ↑ Эйтель, Элизабет. Основы угловых энкодеров: Обзор и новые технологии | Журнал Machine Design, 7 мая 2014 г. Дата обращения: 30 июня 2014 г.
- ^ Руководство пользователя тестовой системы последовательного / инкрементного энкодера TI-5000EX [ постоянная мертвая ссылка ] , Mitchell Electronics, Inc.
- ↑ GK McMillan, DM Considine (ed.) Process Instruments and Controls Handbook Fifth Edition , McGraw Hill 1999, ISBN 978-0-07-012582-7 , стр. 5.26
- ^ "кодировщики" (PDF) . п. 12 . Проверено 20 февраля 2013 года .
- ^ "Емкостной абсолютный энкодер" (PDF) . Камилла Бауэр . Проверено 20 февраля 2013 года .
- ^ Роберт, Репас. «Многооборотные абсолютные энкодеры» . machinedesign.com . Проверено 20 февраля 2013 года .[ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «Новая технология дает кодировщик, который никогда не забывает» . журнал . www.motioncontrol.co.za. 2007 . Проверено 20 февраля 2013 года .
- ^ "White Paper Magnetic Encoder" (pdf) . FRABA Inc. стр. 3 . Проверено 13 февраля 2013 года .
- ^ Коллинз, Даниэль. "Что такое синусоидальный кодировщик (он же синусо-косинусный кодировщик)?" . Мир дизайна . Дата обращения 19 августа 2020 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Уиндер, К. Фаррелл (октябрь 1959 г.). "Датчики угла вала обеспечивают высокую точность" (PDF) . Электронная промышленность . Компания Чилтон . 18 (10): 76–80 . Проверено 14 января 2018 .
- Военный справочник: Энкодеры - угол вала в цифровой формат (PDF) . Министерство обороны США . 1991-09-30. MIL-HDBK-231A. Архивировано (PDF) из оригинала 25.07.2020 . Проверено 25 июля 2020 . (Примечание. Заменяет MIL-HDBK-231 (AS) (1970-07-01).)
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме поворотных энкодеров . |
- В статье Стива Трэи 25 марта 2008 г. «Выбор кодового колеса: подробный обзор того, как работают энкодеры», описываются «энкодеры».
- В статье Джека Гэнссла (Jack Ganssle) 2005-07-19 "Кодеры обеспечивают ощущение места" описываются "нелинейные кодировщики".
- «Роботы-кодеры» .
- Вводное руководство по ШИМ и квадратурному кодированию.
- Revotics - Общие сведения о квадратурном кодировании - охватывает детали вращательного и квадратурного кодирования с акцентом на роботизированные приложения.
- Как работает поворотный энкодер - видео, объясняющее, как работает поворотный энкодер, а также как его использовать с микроконтроллером Arduino.
