Абсолютный энкодер что это такое
Digitrode
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
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.
Изучаем что такое энкодеры
Энкодер — это специальный датчик для измерения характеристик вращения каких-либо объектов. Другое название приборов — датчики угла поворота.
Эти устройства фиксируют параметры вращения и преобразуют их в последовательность электрических сигналов. Характеристики этих сигналов определяются значением угла поворота.
Характеристики
Основная характеристика датчиков поворота — разрядность. Разрядность энкодера — это количество импульсов за один оборот. Ее также называют разрешением. Как правило, разрешение составляет 1024 за один оборот.
Другие конструктивные и функциональные особенности этих приборов:
Где применяют энкодеры
На вопрос, что это за устройство такое — энкодер, можно ответить перечислением того, где используют данные приборы. Сферы применения угловых датчиков зависят от их сложности и способности выдерживать нагрузки.
Датчики поворота используют наиболее часто на станкостроительных заводах, в системах точного перемещения, робототехнических комплексах, в измерительных устройствах, где требуется точная фиксация поворотов, наклонов, вращений.
В промышленности и сложных механизмах, используют высокопроизводительные энкодеры, устойчивые к тепловому воздействию и взрывам.
Другие области и механизмы, в которых применяют эти датчики:
Пример использования прибора есть почти в каждом современном доме. Это обычная компьютерная мышь, в которой также установлен такой датчик.
Общие плюсы и минусы
Прежде, чем рассмотреть разные типы энкодеров, стоит сказать об общих преимуществах и недостатках этих датчиков.
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.
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.
Видео по теме
Энкодер: устройство и примеры работы
Нередко статьи у меня на блоге тесно связаны с промышленным оборудованием. На этот раз я подробно рассматриваю энкодер – очень важное устройство, без которого не обходится ни одна солидная производственная линия. А почему энкодер столь важен, будет понятно из моей статьи. Разберём подключение энкодера, его работу, устройство и монтаж. Как обычно в таких статьях, будут реальные примеры работы энкодеров в различных узлах оборудования. И, конечно же, будет много фотографий, сделанных мною лично.
Что такое энкодер?
Энкодер – это электронный датчик, который механически крепится на какой-либо вращающейся детали. Обычно корпус энкодера остается неподвижным, а вращается только его вал. Это позволяет с необходимой точностью измерять разные параметры :
Энкодер является самым распространенным «измерительным инструментом» в современном промышленном оборудовании. Фактически энкодер является датчиком обратной связи, на выходе которого цифровой сигнал меняется в зависимости от его вращения или от угла его поворота. Этот сигнал обрабатывается в счетчике или контроллере, который выдает команды на устройство индикации или привод.
Этикетка инкрементного энкодера Sick, установленного на валу двигателя постоянного тока. Основной параметр – 1024 импульса на оборот
Энкодеру найдено множество применений, учитывая возможности последующей обработки его сигнала. Например – измерение погонной длины какого-либо материала, измерение угла открытия/закрытия задвижки, точное позиционирование деталей при перемещении и обработке. Конкретные примеры будут ниже.
Энкодеры, о которых идёт речь в статье, в некоторых источниках называются датчиками углового перемещения, датчиками угла поворота, и даже “N-кодером”.
А вообще энкодер – это любое устройство, которое преобразовывает или декодирует какой-то сигнал или информацию.
Принципы работы и устройство энкодеров
Существует два вида энкодеров по конструкции и виду выходного сигнала – инкрементальный (инкрементный) и абсолютный.
Инкрементальный энкодер устроен проще сравнению с абсолютным, и используется в большинстве случаев. Такой энкодер можно представить как диск с прорезями, который просвечивается оптическим датчиком. При вращении этого диска датчик будет активироваться или деактивироваться зависимости от своего положения над прорезью. В результате на выходе энкодера формируется последовательность дискретных импульсов, частота которых зависит от разрешения энкодера и его частоты вращения.
Например, если энкодер закреплен на валу асинхронного двигателя, который вращается с частотой 1500 оборотов в минуту, то при разрешении энкодера 1000 импульсов на оборот частота выходных импульсов будет равна 25 кГц.
Разрешение и максимальная частота вращения обратнозависимы – ведь не может же частота выходных импульсов исчисляться гигагерцами. Обычно выходная частота ограничена значением около 500 кГц. Да и не всякий контроллер “скушает” такую частоту. Делаем вывод: энкодер с разрешением 1000 имп/оборот (наиболее распространенный) не может крутиться с частотой выше 500 Гц или 30000 об/мин. Но такие скорости в механике я лично не встречал. Делаем второй вывод: высокое разрешение не всегда хорошо.
Пример, поясняющий работу энкодера:
Конструкция, поясняющая работу оптического энкодера
На фото – не энкодер, но данная конструкция в первом приближении прекрасно иллюстрирует работу и устройство инкрементального оптического энкодера. Про щелевой оптический датчик я писал в статье про оптические датчики, там подробнее.
Бич подобных конструкций – при механической поломке, связанной со смещением диска (или другого активатора), датчик легко ломается… В энкодере такого не может быть – там всё надёжно закреплено и защищено.
Основной минус инкрементального энкодера – необходимость непрерывной обработки его выходного сигнала. Кроме того, чтобы узнать положение инкрементального энкодера после подачи на него питания, необходимо провести инициализацию для поиска нуль-метки (что это такое – расскажу позже) либо для поиска нулевого положения механизма.
Абсолютный энкодер имеет более сложное устройство, но он позволяет определить угол поворота в любой момент времени, даже в неподвижном состоянии механизма сразу после включения питания. Говоря простыми словами, выходной сигнал у него – это параллельный код (например, 8-разрядный, имеющий 256 значений), который соответствует углу поворота. Соответствующую конфигурацию имеют и прорези в диске энкодера.
Абсолютные энкодеры работают в сложном оборудовании – там, где в любой момент времени (в том числе, в момент подачи питания) нужно знать точное положение объекта. Но сейчас, с появлением дешевых контроллеров с энергонезависимой памятью, в 99% используются инкрементальные энкодеры. Тем более учитывая, что их цена в несколько раз ниже, чем у абсолютных. Да и обрабатывать последовательные импульсы гораздо проще, чем параллельный код.
Использовать абсолютный энкодер для определения скорости вращения – всё равно, что использовать мощный настольный компьютер только для прослушивания музыки в ВК.
Бывают энкодеры не оптического принципа работы. Но я про них ничего рассказывать не буду, поскольку не имел с ними дела..
Подключение энкодера
Энкодер никогда не работает сам по себе. Он всегда подключается к устройству обработки сигналов, с помощью которого можно переварить и проанализировать импульсы на его выходах. 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 или длины.
Но чаще всего выходные сигналы энкодера обрабатываются в контроллере. А далее путем расчетов можно получить информацию о скорости, направлении вращения, ускорении, положении объекта.
Сигналы и выходы инкрементального энкодера
Импульсы на выходе энкодера – один канал
Период Т – величина, обратная частоте, а про частоту мы говорили выше. Уровень “Н” – это напряжение, почти равное напряжению питания (обычно 5, 12, или 24 В). Уровень “L” – около нуля.
Само собой, реальные импульсы не столь идеальны – у них может гулять скважность и будут завалены фронты.
Что может рассказать нам такой энкодер? Только о скорости и погонных метрах. Например, его можно применять для определения частоты вращения двигателя, или длины материала после нажатия кнопки “Сброс”. Неплохо, но хочется большего!
Если будет два выхода, импульсы на которых (оптическим способом) сдвинуты на четверть периода, мы сможем узнать направление вращения:
Импульсы каналов А и В с фазовым сдвигом
Такие выходы со сдвигом фаз на четверть периода называются квадратурными каналами. Этот приём широко применяется в радиотехнике и электронике не только для определения направления вращения, но и для определения знака рассогласования частот (больше или меньше опорной частоты?).
Если сдвиг фаз положительный (фаза В отстает), можно условиться о прямом вращении. Если отрицательный (фаза В опережает фазу А на четверть), значит, вращение в обратном направлении. Два этих сигнала с одной частотой и фазой ±90° подаются на триггер, выход которого однозначно указывает о направлении вращения.
Ничего это не напоминает? В энкодере – двухфазная система, со сдвигом фаз 90°, в электрощите – трехфазная система, со сдвигом фаз 120°. Для смены направления вращения трехфазного двигателя достаточно поменять местами любые две фазы.
Со скоростью, расстоянием и направлением разобрались, а что делать, если нужно узнать угол поворота? Для этого вводится сигнал “Z” (Zero) – опорный импульс, который также называют нуль-меткой или референсной меткой:
Выходы энкодера А, В с нулевой меткой Z
Импульс “Z” имеет длительность Т (бывает и другая длительность – T/2, или 2Т) и проскакивает 1 раз за оборот вала энкодера. Иными словами, длительность нулевой метки может быть в тысячи раз короче периода вращения вала энкодера.
В современных датчиках каждая фаза (канал) обычно имеет ещё один, противофазный выход.
С теорией заканчиваем, плавно переходим к практике.
Монтаж энкодеров
По монтажу сразу скажу главное – вал энкодера по отношению к валу механизма должен быть надежно зафиксирован! Обычно это делается при помощи шестигранных винтов.
Бывали случаи, когда из-за проскальзывания самодельных и даже штатных муфт глючили производственные линии, и мы долго не могли найти причину – ведь всё остается исправным!
Монтироваться энкодер может и на валу двигателя, и на валу любого другого механизма – это не принципиально, и зависит лишь от конструкции и требований к точности выполнения поставленной задачи.
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.
Энкодер механически соединен с приводом через соединительную муфту для компенсации несоосности
Корпус любого энкодера всегда неподвижен. Вращается только его внутренняя подвижная часть.
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:
Энкодер с полым валом, надет на вал редуктора
Обратите внимание – корпус энкодера целиком и полностью держится на валу редуктора. От проворачивания его держит металлический поводок. При работе энкодер обычно немного покачивается по овальной траектории, это нормально, поскольку идеал существует только на картинках в даташитах и учебниках.
Бывают сквозные полые валы, когда ось механизма проходит через энкодер насквозь.
Подключение и работа энкодеров. Реальные примеры.
Ниже я рассмотрю 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.
Энкодер работает на бумаговедущем валу
Энкодер ELCO работает на бумаговедущем валу. Корпус энкодера закреплен жестко, стыковка валов – через компенсирующую муфту
Минус такой установки – при механической поломке вала (а это бывало уже не раз, изнашиваются подшипники) ломается либо муфта, либо сам энкодер.
Положение деталей на конвейере
В этом случае энкодер насажен на вал двигателя, подключенного через преобразователь частоты. Двигатель через редуктор передает движение на конвейер, по которому движутся заготовки деталей.
Положение детали на конвейере, позиционирование при помощи энкодера на двигателе
С помощью энкодера и оптических датчиков, фиксирующих просвет между образцами продукции, контроллер с большой точность может управлять обработкой деталей.
При этом направление знать не обязательно (оно всегда одно), и могут применяться энкодеры без ноль-метки:
Энкодер для определения только скорости вращения
По моему мнению, насаживание энкодера на вал двигателя – не очень хорошая идея в смысле того, что энкодер крутится на больших оборотах (до 3000 об/мин). Кроме повышенного механического износа, необходимо предусмотреть обработку сигналов со сравнительно высокой скоростью. Но сегодня, с развитием промышленной электроники, это не проблема.
Крепление энкодера на валу двигателя позволяет очень точно контролировать скорость привода. С появлением высокооборотистых энкодеров многие производители наладили выпуск двигателей со встроенным энкодером.
Если интересно применение ПЧ в конвейерах, вот моя статья на Дзене, где я подробно рассматриваю схему включения ПЧ для конвейера.
Ещё пример точного позиционирования при помощи энкодера для двигателя:
Энкодер – работа на валу двигателя со стороны крыльчатки
В этом случае двигатель приводит в действие цепную передачу лифта, подающего заготовку на обработку. Точность позиционирования лифта – порядка 1 мм, длина пути – более 2 м.
Перемещение детали
Ещё большую точность, чем в предыдущем случае, можно получить, если вал энкодера закрепить на ходовой винт с резьбой.
На фото сверху вниз – направляющая, ходовой винт, кабель к энкодеру
Если на ходовой винт закрепить гайку, которая механически скреплена с перемещаемой деталью (в реальном примере это – металлическая заготовка, которая рубится или гнётся по нужному размеру), то с помощью энкодера можно до долей миллиметра узнать её положение. Точность вычисления будет зависеть от шага резьбы и разрешающей способности энкодера.
Минус такого решения – при большой скорости возможен «промах», и нужно либо уменьшать скорость при приближении к цели, либо постоянно двигаться на низкой скорости. Кроме того, механика тоже должна быть точной, чтобы исключить любые люфты и перекосы.
Перемещение упора
Задача стоит в принципе такая же, как и в предыдущем случае. Но тут другой принцип перемещения – за счет зубчатой передачи:
Зубчатая передача перемещения каретки
Плюс данной реализации в том, что энкодер насажен непосредственно на зубчатое колесо, которое осуществляет передачу вращения. При большом разрешении энкодера и отсутствии механических люфтов можно добиться очень высокой точности позиционирования.
Использование энкодера совместно с винтовой и зубчатой передачей позволяет достичь высокой точности обработки деталей в станках с ЧПУ.
Вычисление точной координаты
В производстве полиграфической продукции иногда нужно нанести клей (или краску) в точное место. Когда печатная продукция (например, коробки или конверты) движутся по ленточному конвейеру, при помощи оптического датчика определяется начало коробки, затем контроллер при помощи энкодера вычисляет нужную координату, и включает подачу клея.
Вычисление точной координаты при помощи измерительного колеса
Формируется клеевая дорожка нужной длины, затем клей выключается. Далее коробка подается на фальцовочный узел, где складывается и склеивается. При этом скорость работы линии может достигать до 300 коробок в минуту.
Системы дозирования
Для точного открытия заслонки в системе дозирования жидкостей служит система, состоящая из двигателя с редуктором, на вал которого с одной стороны закреплена задвижка, с другой – энкодер.
Поворот на определенный угол при помощи энкодера
Поворот вала редуктора на угол не более 180° ограничен индуктивными датчиками приближения, а точное положение определяется по сигналу от энкодера. В исходном состоянии задвижка закрыта, и датчик минимального положения активен. Это состояние принимается за ноль. Далее включается двигатель, и вал поворачивается. Точный угол поворота пропорционален количеству импульсов от энкодера обратной связи. В данном случае энкодер не делает полный оборот, его движение ограничено датчиками.
Датчики активируются кулачками, которые закреплены (и могут корректироваться шаловливыми ручками)) на том же валу, что и энкодер.
При выключении питания положение энкодера (а значит, и задвижки) запоминается в памяти контроллера. В случае необходимости оператор может провести инициализацию (установку нулевого и максимального положения) за счет индуктивных датчиков. Опорная “Z” – метка при этом не используется.
Защита двигателя
Даже при перегрузке двигателя его скорость понижается, скольжение есть всегда, даже на холостом ходу. Но изменение тока при этом ничтожно. Особенно (например), если двигатель работает на застрявшую продукцию через редуктор.
Поэтому, очень удобно использовать энкодер, закрепленный на валу двигателя, для определения повышенного скольжения. А значит – перегрузки двигателя.
У меня на Дзене есть статья, как энкодер защищает двигатель от перегрузки, там тема раскрыта подробнее.
Энкодер, механическая поломка из-за смещения двигателя
Энкодер перестал выдавать импульсы (перегрузки, правда, не было), и тут же контроллер выдал сообщение:
Сообщение на экране оператора о поломке энкодера
Запоминающие энкодеры
Энкодеры умнеют на глазах. В американской линии довелось иметь дело с серводвигателем, в состав которого входит энкодер с памятью.
Энкодер в составе серводвигателя с памятью
Энкодер не простой – у него в памяти зашиты параметры серводвигателя (их более сотни), которые он каждый раз при включении питания передает к центральный контроллер. Из-за заводского брака энкодер был плохо закреплён, и начал тереться о корпус двигателя, что привело к нарушению синфазности вращения двигателя и энкодера. Американцы дистанционно заново программировали этот энкодер, чтобы можно было запустить линию. Но это уже совсем другая история…
Резольвер
Совсем коротко о резольвере. По сути он выполняет те же функции, что и энкодер – может вычислять скорость и направление вращения двигателя. Но резольвер – аналоговый измерительный прибор. В некоторых случаях он гораздо точнее говорит об угле поворота, поскольку фактически речь идет о вычислении сдвига фаз на его выходах.
Реальный японский резольвер SMARTSYN TAMAGAWA SEIKI MODEL: TS2651N141E78, довелось когда-то ремонтировать:
Тахогенератор
Не путайте энкодер и тахогенератор (его иногда ошибочно называют тахометром)!
У них схожие функции и область применения, но у тахо от скорости вращения двигателя зависит не частота выходных импульсов, а выходное напряжение.
Посмотрите, какая конструкция установлена у нас на заводе на двигателе постоянного тока мощностью 200 кВт:
Энкодер + тахометр слиты в единое целое на валу двигателя
Тахогенераторы, как и двигатели постоянного тока, в современном оборудовании практически не используются.
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.
Использование тех или иных марок энкодеров обусловлено часто не техническими причинами, поскольку их параметры, схемы подключения и надежность практически идентичны. Тут скорее политические мотивы – производители комплектующих любыми путями стараются, чтобы их продукция вошла в состав больших и массовых производственных линий, чтобы таким образом закрепиться на рынке.
Скачать
Статья, которую вы сейчас прочитали, недавно была в урезанном виде опубликована в бумажном журнале “Электротехнический рынок” под названием “Энкодер: мастхэв производственной линии”. Кому интересно, выкладываю для скачивания:
• Энкодер: мастхэв производственной линии / Статья в журнале «Электротехнический рынок» от СамЭлектрик.ру. Разновидности и примеры реального применения энкодеров. Приведены описания реальных узлов оборудования, в которых применяются энкодеры, pdf, 1.15 MB, скачан: 811 раз./
Рекомендую скачать ещё одну интересную статью по энкодерам:
• Подключение инкрементного энкодера к ПЛК / Обобщены данные о типах выходного сигнала энкодера, способах его обработки, подсчёте измеряемой частоты вращения. Пример подключения и обработки сигналов энкодера в контроллере Siemens, pdf, 2.36 MB, скачан: 703 раз./
Приглашаю коллег к обсуждению в комментариях, буду рад замечаниям и дополнениям к статье!