Вращающийся энкодер , также называемый энкодером вала , представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразует угловое положение или движение вала или оси в аналоговые или цифровые выходные сигналы. [1]
Существует два основных типа вращающихся энкодеров: абсолютные и инкрементальные. Выходные данные абсолютного энкодера указывают текущее положение вала, что делает его угловым преобразователем . Выходные данные инкрементального энкодера предоставляют информацию о движении вала, которая обычно обрабатывается в другом месте в такую информацию, как положение, скорость и расстояние.
Вращающиеся энкодеры используются в широком спектре приложений, требующих мониторинга или управления, или и того, и другого, механическими системами, включая промышленные элементы управления, робототехнику , фотографические объективы , [2] компьютерные устройства ввода, такие как оптомеханические мыши и трекболы , реометры с контролируемым напряжением и вращающиеся радиолокационные платформы.
Абсолютный энкодер сохраняет информацию о положении при отключении питания от энкодера. [5] Положение энкодера доступно немедленно при подаче питания. Соотношение между значением энкодера и физическим положением контролируемого оборудования устанавливается при сборке; системе не нужно возвращаться в точку калибровки для поддержания точности положения.
Абсолютный энкодер имеет несколько кодовых колец с различными бинарными весами, которые обеспечивают слово данных , представляющее абсолютное положение энкодера в пределах одного оборота. Этот тип энкодера часто называют параллельным абсолютным энкодером. [6]
Многооборотный абсолютный вращающийся энкодер включает в себя дополнительные кодовые колеса и зубчатые колеса. Колесо с высоким разрешением измеряет дробное вращение, а зубчатые кодовые колеса с низким разрешением регистрируют количество полных оборотов вала. [7]
Инкрементальный энкодер немедленно сообщает об изменениях положения, что является важной возможностью в некоторых приложениях. Однако он не сообщает и не отслеживает абсолютное положение. В результате механическая система, контролируемая инкрементальным энкодером, может быть приведена в исходное положение (перемещена в фиксированную опорную точку) для инициализации измерений абсолютного положения.
Цифровые абсолютные энкодеры выдают уникальный цифровой код для каждого отдельного угла вала. Они бывают двух основных типов: оптические и механические.
Металлический диск, содержащий набор концентрических колец отверстий, закреплен на изолирующем диске, который жестко закреплен на валу. Ряд скользящих контактов закреплен на неподвижном объекте таким образом, что каждый контакт трётся о металлический диск на разном расстоянии от вала. По мере вращения диска вместе с валом некоторые контакты касаются металла, а другие попадают в зазоры, где металл был вырезан. Металлический лист подключён к источнику электрического тока , а каждый контакт подключён к отдельному электрическому датчику. Металлический рисунок спроектирован таким образом, что каждое возможное положение оси создаёт уникальный двоичный код , в котором некоторые контакты подключёны к источнику тока (т. е. включены), а другие — нет (т. е. выключены).
Контакты щеточного типа подвержены износу, поэтому механические энкодеры обычно используются в низкоскоростных приложениях, например, для ручного управления громкостью или настройкой радиоприемника.
Диск оптического энкодера изготовлен из стекла или пластика с прозрачными и непрозрачными областями. Источник света и массив фотодетекторов считывают оптический рисунок, который получается из положения диска в любой момент времени. [8] Часто используется код Грея . Этот код может быть считан управляющим устройством, таким как микропроцессор или микроконтроллер, для определения угла вала.
Абсолютно аналоговый тип выдает уникальный двойной аналоговый код, который может быть преобразован в абсолютный угол поворота вала.
Магнитный энкодер использует ряд магнитных полюсов (2 или более) для представления положения энкодера магнитному датчику (обычно магниторезистивному или с эффектом Холла). Магнитный датчик считывает положения магнитных полюсов.
Этот код может быть считан управляющим устройством, например микропроцессором или микроконтроллером, для определения угла наклона вала, аналогично оптическому энкодеру.
Абсолютный аналоговый тип выдает уникальный двойной аналоговый код, который может быть преобразован в абсолютный угол поворота вала (с использованием специального алгоритма [ требуется ссылка ] ).
Из-за характера записи магнитных эффектов эти энкодеры могут быть оптимальными для использования в условиях, когда другие типы энкодеров могут выйти из строя из-за накопления пыли или мусора. Магнитные энкодеры также относительно нечувствительны к вибрациям, незначительному смещению или ударам.
Встроенные вращающиеся 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 энкодер служит в качестве устройства обратной связи, которое играет жизненно важную роль в правильной работе оборудования. Бесщеточные двигатели требуют электронной коммутации, которая часто реализуется частично с использованием роторных магнитов в качестве абсолютного энкодера с низким разрешением (обычно шесть или двенадцать импульсов на оборот). Полученная информация об угле вала передается на сервопривод, чтобы он мог в любой момент времени подавать питание на нужную обмотку статора.
Диск асимметричной формы вращается внутри энкодера. Этот диск изменит емкость между двумя электродами, которую можно измерить и пересчитать обратно в угловое значение. [9]
Многооборотный энкодер может обнаруживать и хранить более одного оборота. Термин абсолютный многооборотный энкодер обычно используется, если энкодер будет обнаруживать движения своего вала, даже если энкодер не снабжен внешним питанием.
Этот тип энкодера использует батарею для сохранения подсчетов в циклах питания. Он использует энергосберегающую электрическую конструкцию для обнаружения движений.
Эти энкодеры используют ряд шестеренок для механического хранения числа оборотов. Положение отдельных шестеренок определяется с помощью одной из вышеупомянутых технологий. [10]
Эти энкодеры используют принцип сбора энергии для генерации энергии из движущегося вала. Этот принцип, представленный в 2007 году, [11] использует датчик Wiegand для производства электроэнергии, достаточной для питания энкодера и записи количества оборотов в энергонезависимую память. [12]
.svg/1280px-Encoder_disc_(3-Bit_binary).svg.png)
Ниже показан пример двоичного кода в предельно упрощенном кодере, имеющем всего три контакта.
В общем случае, когда имеется n контактов, число различных положений вала равно 2 n . В этом примере n равно 3, поэтому имеется 2³ или 8 положений.
В приведенном выше примере контакты производят стандартный двоичный счет при вращении диска. Однако это имеет недостаток, заключающийся в том, что если диск останавливается между двумя соседними секторами или контакты не идеально выровнены, может быть невозможно определить угол вала. Чтобы проиллюстрировать эту проблему, рассмотрим, что происходит, когда угол вала изменяется с 179,9° на 180,1° (от сектора 3 до сектора 4). В какой-то момент, согласно приведенной выше таблице, контактная схема меняется с выкл.-вкл.-вкл. на вкл.-выкл.-выкл. Однако в реальности это не так. В практическом устройстве контакты никогда не выровнены идеально, поэтому каждый переключается в разный момент. Например, если сначала переключается контакт 1, затем контакт 3, а затем контакт 2, то фактическая последовательность кодов будет следующей:
Теперь посмотрите на сектора, соответствующие этим кодам в таблице. По порядку, это 3, 7, 6 и затем 4. Итак, из последовательности полученных кодов, вал, по-видимому, перескочил из сектора 3 в сектор 7, затем вернулся в сектор 6, затем снова вернулся в сектор 4, где мы и ожидали его найти. Во многих ситуациях такое поведение нежелательно и может привести к сбою системы. Например, если бы энкодер использовался в руке робота, контроллер подумал бы, что рука находится в неправильном положении, и попытался бы исправить ошибку, повернув ее на 180°, что, возможно, привело бы к повреждению руки.
.svg/1280px-Encoder_Disc_(3-Bit).svg.png)
Чтобы избежать вышеуказанной проблемы, используется кодирование Грея . Это система двоичного счета, в которой любые два соседних кода отличаются только одной позицией бита. Для приведенного выше примера с тремя контактами версия с кодированием Грея будет выглядеть следующим образом.
В этом примере переход из сектора 3 в сектор 4, как и все другие переходы, включает в себя только один из контактов, меняющих свое состояние с включенного на выключенное или наоборот. Это означает, что последовательность неправильных кодов, показанная на предыдущей иллюстрации, не может произойти.
Если конструктор перемещает контакт в другое угловое положение (но на то же расстояние от центрального вала), то соответствующий «кольцевой шаблон» необходимо повернуть на тот же угол, чтобы получить тот же выходной сигнал. Если старший бит (внутреннее кольцо на рисунке 1) достаточно повернуть, он точно соответствует следующему кольцу. Поскольку оба кольца тогда идентичны, внутреннее кольцо можно опустить, а датчик для этого кольца переместить на оставшееся идентичное кольцо (но смещенное на этот угол относительно 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) так, чтобы последовательные положения отличались только у одного датчика; в результате получится однодорожечный кодер кода Грея.
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 последовательные системы шин, 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.
Поворотный инкрементальный энкодер является наиболее широко используемым из всех поворотных энкодеров благодаря своей способности предоставлять информацию о положении в реальном времени. Разрешение измерения инкрементального энкодера никак не ограничивается его двумя внутренними инкрементальными датчиками движения; на рынке можно найти инкрементальные энкодеры с числом отсчетов до 10 000 на оборот или более.
Вращающиеся инкрементальные энкодеры сообщают об изменениях положения без запроса на это, и они передают эту информацию со скоростью передачи данных, которая на порядок выше, чем у большинства типов абсолютных энкодеров вала. По этой причине инкрементальные энкодеры обычно используются в приложениях, требующих точного измерения положения и скорости.
Вращающийся инкрементальный энкодер может использовать 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 вращающиеся энкодеры в качестве регуляторов громкости. Энкодеры с механическими датчиками требуют устранения дребезга переключателей и, следовательно, ограничены в скорости вращения, с которой они могут работать. 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 периодическую цифровую форму волны в квадратуре, когда вал энкодера вращается. Это похоже на синусоидальные энкодеры, которые выводят синусоидальные формы волны в квадратуре (т. е. синус и косинус), [13] таким образом объединяя характеристики энкодера и резольвера . Частота формы волны указывает скорость вращения вала, а количество импульсов указывает пройденное расстояние, тогда как соотношение фаз AB указывает направление вращения.
Некоторые вращающиеся инкрементальные энкодеры имеют дополнительный «индексный» выход (обычно обозначенный Z), который выдает импульс, когда вал проходит через определенный угол. 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 сигнал регистрации, когда вал энкодера находится под определенным опорным углом.
В отличие от абсолютных энкодеров, инкрементальный энкодер не отслеживает и не указывает на абсолютное положение механической системы, к которой он прикреплен. Следовательно, для определения абсолютного положения в любой конкретный момент времени необходимо «отслеживать» абсолютное положение с помощью интерфейса инкрементального энкодера , который обычно включает в себя двунаправленный электронный счетчик.
Недорогие инкрементальные энкодеры используются в механических компьютерных мышах . Обычно используются два энкодера: один для обнаружения движения влево-вправо, а другой для обнаружения движения вперед-назад.
Вращающийся (угловой) импульсный энкодер имеет переключатель SPDT для каждого направления, каждый из которых работает только в направлении движения. Каждый поворот в одном направлении заставляет переключатель SPDT, связанный только с этим направлением, переключаться.
Вращающиеся энкодеры с одним выходом (т.е. тахометры ) не могут использоваться для определения направления движения, но подходят для измерения скорости и положения, когда направление движения постоянно. В некоторых приложениях они могут использоваться для измерения расстояния движения (например, футов движения).
