Энкодер: что это такое, принцип работы, виды, для чего используется

Установка, подключение и тестирование энкодеров

Энкодер выбирают, исходя из требований к системе и параметров контроллера и частотного преобразователя. Самым важным критерием выбора этого оборудования является разрешение или количество импульсов, генерируемых за один оборот. Чем больше импульсов передает устройство на котроллер или частотный преобразователь, тем выше точность позиционирования положения вала при низкой скорости. Для точного регулирования при низкой частоте вращения необходимо не менее 20 импульсов на один период квантования контроллера.

При высокой скорости вращения ротора, следует выбрать устройство с разрешением, не превышающем максимальную входную частоту реверсивного счетчика частотного преобразователя или контроллера.

Энкодер крепится к валу двигателя, редуктора или другого передаточного устройства

При его установке важно обеспечить жесткое соединение. Скольжение и люфт снижают точность позиционирования и регулирования

Запрещается запитывать знкодер от общей шины питания цепи управления. Для этих устройств необходимо предусмотреть отдельный источник стабилизированного напряжения. Интерфейсы Danfoss для подключения энкодеров имеют встроенные источники питания.

Соединение датчика скорости и положения необходимо выполнить экранированными кабелями рекомендуемой производителем марки.

При наладке привода ПК, где установлено соответствующее ПО, соединяют с интегрируемым или внешним контроллером. Далее открывают соответствующий раздел в меню котроллера и частотного преобразователя. Затем определяют тип энкодера, вводят его параметры.

Специализированные частотные преобразователи с интегрируемым контроллером движения имеют функции тестирования датчиков. Предусмотрены разные программы испытаний для ведущего и ведомого энкодеров в системе следящего привода. Программа испытаний:

• Автоматически определяет тип и разрешение датчика.
• Выполняет расчет времени замера ПИД-регулятора.
• Проверяет тип перемещения и выбор времени подсчета количества импульсов.
• Рассчитывает коэффициент прямой связи.

Если энкодер не работает, следует проверить качество контактных соединений. Если подсчет импульсов инкрементального датчика осуществляется в обратную сторону, необходимо поменять кабели, подключенные к каналам A и B и A/ и B/.

Типы приборов

Устройства бывают нескольких типов. Типы энкодеров: инкрементальные и абсолютные, оптические и механические. Далее будет рассмотрено, что такое энкодер инкрементального типа, а затем обозрены другие типы.

Инкрементальные энкодеры

Они распространены больше всего. В инкрементальном варианте вращательное движение вала преобразовывается в электрические импульсы. Его конструкция состоит из диска с прорезями и оптических датчиков.

Конструкция датчиков поворота данного типа, не позволяет им сообщать свое абсолютное состояние, а только величину изменения положения. Простой образец инкрементального устройства — шайба регулировки громкости автомобильной магнитолы.

Этот вид работает следующим образом. У него есть начальная нуль-метка, или выход Z, и два дополнительных выхода — A и B. Датчик создает две линии сигналов со смещенными на четверть фазы импульсами относительно друг друга. Разница импульсов указывает на направление вращения, а их количество — на угол поворота.

Разновидность инкрементальных энкодеров — сдвоенные, или квадратурные. Они состоят из двух датчиков, которые срабатывают со смещением в полшага. Квадратурные считают количество импульсов и учитывают направление.

У инкрементальных два главных минуса. Во-первых, нужно постоянно обрабатывать и анализировать сигнал, для чего используют контроллер и специальную программу. Во-вторых, они требуют синхронизации с нулевой меткой после включения. Для этого требуется инициализация для поиска выхода Z.

Абсолютные энкодеры

Датчики такого типа устроены более сложно. Но они позволяют определить величину угла поворота сразу после включения, не требуя синхронизации с нулевой меткой.

В основе конструкции поворотный круг, разделенный на одинаковые по размеру пронумерованные секторы. После включения устройства определяется номер сектора, на котором оно находится. Такое решение позволяет сразу зафиксировать положение, угол и направление вращения.

Принцип работы абсолютного энкодера основан на использовании кода Грея для определения текущего положения и других параметров. В них не требуется синхронизация с нулевым значением.

Единственный существенный недостаток этого типа угловых датчиков — необходимость все время переводить код Грея в двоичный код для регистрации положения датчика.

Многооборотные датчики поворота

Абсолютные энкодеры могут быть однооборотными и многооборотными.

Однооборотные показывают абсолютное значение после одного оборота. После этого код возвращается к начальному значению. Такие датчики используют в основном для измерения угла поворота.

Если нужно измерять обороты в системах с линейным перемещением, используют многооборотные энкодеры. В них есть дополнительный передаточный механизм, благодаря чему они регистрируют, помимо угла поворота, количество оборотов.

Оптические энкодеры

Диск оптического энкодера изготавливают из стекла. Отличие этого типа угловых датчиков, в наличии оптического растора, перемещающегося при вращении вала. При этом он создает поток света, который регистрирует фотодатчик.

Каждому положению энкодера соответствует определенный цифровой код, который вместе с количеством оборотов составляет единицу измерения устройства.

Оптические угловые датчики бывают фотоэлектрическими и магнитными.

В основе работающих датчиков лежит магнитный эффект Холла. Их точность и разрешение ниже, однако, и конструкция проще. Они лучше переносят сложные условия работы и занимают меньше места.

Фотоэлектрические датчики основаны на том же принципе. В них свет преобразуется в электрические сигналы.

Механические энкодеры

Также называются аналоговыми. Их диск изготавливают из диэлектрика и наносят на него выпуклые или непрозрачные области. Набор контактов и переключателей, позволяет вычислить значение абсолютного угла. Механические энкодеры также используют код Грея.

Один из недостатков этих энкодеров в том, что со временем контакты разбалтываются. В результате сигнал искажается, и прибор выдает неточные значения. А это сказывается на общей работоспособности. Оптические и магнитные энкодеры не имеют такого недостатка.

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

Комментарии

Чтобы получить экземпляр реализации Encoder класса, приложение должно использовать GetEncoder метод Encoding реализации.

GetByteCountМетод определяет, сколько байт приводит к кодированию набора символов Юникода, и GetBytes метод выполняет фактическую кодировку. В классе доступно несколько версий обоих методов Encoder . Для получения дополнительной информации см. Encoding.GetBytes.

EncoderОбъект хранит сведения о состоянии между последовательными вызовами методов или, Convert чтобы он мог правильно кодировать последовательности символов, охватывающие блоки. EncoderТакже сохраняет замыкающие символы в конце блоков данных и использует замыкающие символы в следующей операции кодирования. Например, блок данных может заканчиваться непарным старшим символом-заместителем, а соответствующий младший символ-заместитель может находиться в следующем блоке данных. Поэтому GetDecoder они и GetEncoder полезны для передачи по сети и операций с файлами, так как эти операции часто работают с блоками данных, а не с полным потоком данных.

Примечание

Когда приложение выполняется с помощью потока данных, необходимо убедиться, что сведения о состоянии сброшены, задав для параметра значение в соответствующем вызове метода. Если возникает исключение или приложение переключает потоки, оно должно вызвать Reset , чтобы очистить внутреннее состояние объекта.

Рекомендации по версиям

DecoderОбъект или Encoder может быть сериализован во время операции преобразования. состояние объекта сохраняется, если он десериализуется в той же версии платформа .NET Framework, но теряется, если он десериализуется в другой версии.

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.

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.

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.

Производители энкодеров

Среди российских производителей энкодеров мне известен лишь только Питерский СКБ ИС, который производит энкодеры марки ЛИР. К сожалению, российского промышленного оборудования сейчас почти не производится, и ЛИРы применяются лишь в военном и лабораторном оборудовании.

По этой причине я имею дело только с энкодерами зарубежного производства. Производителей энкодеров много – их производят почти все производители полупроводниковых датчиков. Чаще всего я встречаюсь с энкодерами Autonics – как и в случае с датчиками, в России представлен большой ассортимент. Другие известные мне производители энкодеров – немецкий Sick, японский Omron, и несколько китайских брендов.

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
2. Текстильное производство
3. Производство продуктов питания и напитков
4. Промышленные роботы
5. Медицинская техника
6. Роботы-хирурги
7. Строительная и карьерная техника
8. Карьерные самосвалы
9. Передвижные краны
10. Промышленные задвижки и регулирование уровня воды
11. Вертикальные шлюзы
12. Автоматические трубопроводные задвижки
13. Лифты
14. Грузовые
15. Специализированные подъемники
16. Хранение и перемещение грузов
17. Автопогрузчики
18. Портовые краны
19. Багажные ленты
20. Ножничные подъемники
21. Альтернативная энергетика
22. Солнечные батареи
23. Станкостроение и модернизация станков
24. Станки с ЧПУ
25. Сервомоторы

Популярные категории:

Оборудование

Все категории

Эффект Виганда

Эффект Виганда — это нелинейный магнитный эффект, названный в честь его первооткрывателя Джона Р. Виганда. Данное явление происходит в специально отожженной и закаленной проволоке, называемой проволокой Виганда.

Проволока Виганда изготавливается из низкоуглеродистого викаллоя, ферромагнитного сплава кобальта, железа и ванадия. Вначале проволока отжигается. Она притягивается к магнитам, и силовые линии магнитного поля «втягиваются» в провод. Но проволока сохраняет лишь очень небольшое остаточное магнитное поле, когда внешнее поле снимается.

Затем проволоку скручивают и раскручивают для холодной обработки внешней оболочки, пока сердечник остается мягким. Затем проволока выдерживается. Это делает магнитную коэрцитивную силу внешней оболочки намного выше, чем у внутреннего сердечника. Высокая коэрцитивность
оболочки позволяет ей сохранять внешнее магнитное поле, даже когда
первоначальный источник поля удален.

Теперь на проводе будет наблюдаться большой магнитный гистерезис: если к проводу поднести магнит, внешняя оболочка с высокой коэрцитивной силой удерживает магнитное поле от внутреннего мягкого сердечника. Но если магнитное поле превышает заданный порог, весь провод — как внешняя оболочка, так и внутренний сердечник — быстро меняет полярность
намагничивания. Это переключение (эффект Виганда) происходит за несколько
микросекунд.

Монтаж и подключение датчиков поворота

Как правило, энкодеры устанавливают на валах, с которых нужно считывать информацию. Чтобы компенсировать различия в размерах, используют переходные муфты

Важно прочно закрепить корпус датчика при монтаже

Чаще всего угловые энкодеры работают вместе с контроллерами. Преобразователь подключают к нужным выходам. Затем программа определяет положение объекта в текущий момент, его скорость и ускорение.

Варианты подключения

В самом простом варианте, энкодер подключают к счетчику, запрограммированному измерять скорость.

Однако чаще работа энкодера осуществляется вместе с контроллером. Примером служат датчики поворота на валах двигателей, совмещающих какие-либо детали между собой. С помощью вычислений на основе поступающих данных, система отслеживает зазор между деталями. Когда достигнуто некоторое минимальное значение, совмещение деталей останавливается, чтобы их не повредить.

Другой случай — подключение энкодеров на двигателях с частотными преобразователями, где они служат элементами обратной связи. Здесь принцип того, как подключить устройство, еще проще. Датчик угла поворота подключается к ним с помощью платы сопряжения. Это позволяет точно поддерживать скорость и момент двигателя.

При использовании самодельного энкодера, сделанного своими руками, способ подключения может быть другим. Желательно проверить оба перечисленных варианта, доведя устройство до исправной работы.

После подключения желательно проверить все мультиметром.

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.

Энкодер: Примеры применения

Наверное, все читатели знают, что такое энкодер. На всякий случай будет не лишним напомнить, что это электронное устройство, которое позволяет измерять скорость вращения, угловое положение либо направление вращения. Можно сказать иначе – энкодер это датчик, который выдает сигнал в зависимости от угла его поворота.

Теоретически энкодеры бывают двух видов – инкрементальные и абсолютные. Абсолютные нужны там, где в любой момент времени (в том числе, в момент подачи питания) нужно знать точное положение объекта. Но сейчас, с использованием обработки при помощи контроллеров, абсолютные энкодеры практически не используются. Тем более учитывая, что их цена в несколько раз выше, чем у инкрементальных энкодеров.

Как подключаются энкодеры

Подключить энкодер легко – ведь это фактически датчик с транзисторными выходами. В простейшем случае, выход энкодера можно подключить ко входу счетчика, и запрограммировать его на измерение скорости.

Но чаще всего выходные сигналы энкодера обрабатываются в контроллере. А далее путем расчетов можно получить информацию о скорости, направлении вращения, ускорении, положении объекта.

Энкодеры подключают не только к контроллеру. Он также может подключаться к преобразователю частоты, питающему электродвигатель. Таким образом, появляется возможность точного позиционирования, а также поддержания нужной скорости и момента вращения двигателя без использования контроллера.

Монтаж энкодеров

Вал энкодера никогда не будет соосным с вращающимся валом (вспомните, для чего нужен карданный вал). Поэтому используются специальные заводские переходные муфты. Нужно надежно их крепить и периодически проверять качество монтажа.

Существуют энкодеры с полым валом, которые надеваются непосредственно на измеряемый вал и там фиксируются. Там даже нет такого понятия, как несоосность. Их гораздо проще монтировать, и они надежнее в эксплуатации. Чтобы энкодер при этом не прокручивался, используется лишь металлический поводок. На фото ниже показан энкодер с полым валом (обозначен В21.1), надетый на вал редуктора:

Производители энкодеров

Среди российских производителей энкодеров мне известен лишь только Питерский СКБ ИС, который производит энкодеры марки ЛИР. К сожалению, российского промышленного оборудования сейчас почти не производится, и ЛИРы применяются лишь в военном и лабораторном оборудовании.

По этой причине автор имеет дело только с энкодерами зарубежного производства. Производителей энкодеров много – их производят почти все производители полупроводниковых датчиков. Чаще всего встречаюсь с энкодерами Autonics – как и в случае с датчиками, в России представлен большой ассортимент. Другие известные производители энкодеров – немецкий Sick, японский Omron, и несколько китайских брендов.

Использование тех или иных марок энкодеров обусловлены часто не техническими причинами, поскольку их параметры и надежность практически идентичны. Тут скорее политические мотивы – производители комплектующих любыми путями стараются, чтобы их продукция вошла в состав больших производственных линий, чтобы таким образом закрепиться на рынке.

Рассмотрим несколько примеров использования энкодеров в реальном оборудовании.

Измерение скорости полотна

В данном примере, инкрементальный энкодер ELCO используется для измерения скорости бумажного полотна при производстве бумаги. Энкодер закреплен на бумаговедущем валу через муфту, скорость вращения которого однозначно говорит о скорости бумаги.

При помощи системы «энкодер+контроллер» можно вычислить мгновенную скорость, а также погонную длину произведенной продукции:

Сфера и цель применения

Энкодер – это датчик, применяемый в промышленной области с целью преобразования подконтрольной величины в электрический сигнал. При помощи него определяется, например, положение вала электрического двигателя. В связи с тем что каждое устройство, в котором применяется вращение, обязательно должно быть оснащено прибором, контролирующим точность вращательного момента, популярными сферами использования подобных преобразователей являются системы точного перемещения. Основная цель, с которой применяется энкодер, – это измерение угла поворота объекта во время вращения. Энкодеры незаменимы в процессе производства на станкостроительных предприятиях, в работотехнических комплексах. Используют их также во многих современных измерительных приборах, которые нуждаются в регистрации высокоточных измерений углов, вращения, поворотов и наклонов.

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.

Дальнейшее описание, включая форму волны энкодера

Ниже приведено изображение, показывающее формы сигналов каналов A и B кодера:

Это может прояснить, как работает выше указанный код. Когда устройство обнаруживает переход от низкого к высокому уровню на канале A, он проверяет, перешел ли канал к B высоким или низким уровням. Затем происходит увеличение/уменьшение переменной, чтобы учесть направление, в котором кодер должен вращаться. Это нужно, чтобы генерировать найденную форму волны. Также на изображении показаны переходы красным или зеленым цветом. Они зависят от того, в каком направлении движется кодировщик.

Одним из недостатков приведенного выше кода является то, что на самом деле он учитывает только одну четверть возможных переходов.

Руководство по энкодерам и тому, как оно подключается к Ардуино, закончилось. Благодаря этому можно получить общее представление о том, что из себя представляют данные устройства, и как они работают.

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.

Энкодер и другие датчики

В настоящее время большинство датчиков положения, применяемых в приводах — это энкодеры того или другого типа.

Энкодер – резольвер

В отличие от энкодеров, резольвер является электрической машиной специального исполнения. С точки зрения точности резольверы сопоставимы с энкодерами, за исключением отдельных моделей энкодеров особо точного исполнения. По размерам и массе резольверы обычно больше чем энкодеры. Кроме того недостатком резольвера являются специфические требования к питанию – переменное напряжение частотой несколько килогерц, что требует соответствующей поддержки со стороны контроллера. Тем не менее, резольверы обладают весьма высокой стойкостью к внешним воздействующим факторам: как механическим (удары, вибрации), так и климатическим и превосходят по этому параметру энкодеры.

Энкодер – потенциометр

Потенциометры, используемые как датчик положения, имеют мало конструктивных отличий от обычных потенциометров. Они являются относительно недорогими датчиками, которые могут обеспечить средний уровень точности и выпускаются в различных конструктивных исполнениях. По сравнению с энкодерами потенциометры имеют ограниченный срок службы из-за механического износа, чувствительны к вибрации и ударам и имеют ограниченный диапазон рабочих температур.