Что такое абсолютный и инкрементальный энкодер, как работают энкодеры

Что такое энкодер

Контроллер (датчик) положения вращающегося объекта или по-другому энкодер — это электромеханическое устройство, с помощью которого можно определить положение вращающейся оси (вала). В данном устройстве механическое движение преобразовывается в электрические сигналы, определяющие положение объекта, дают информацию об угле поворота вала, его положении и направлении вращения. С помощью энкодера также можно измерить длину и расстояние или установить перемещение инструмента.

Энкодеры имеют широкую сферу применения в печатной промышленности, металлообработке, лифтовой технике, автоматах для фасовки, упаковки и розлива, в испытательных стендах, а также в роботах и прочих машинах, требующих точной регистрации показателей движения частей. Они практически полностью заменили широко распространенные ранее сельсины.

Видео

Некоторые особенности подключения

     При подключении и отладке энкодеров необходимо строго придерживаться рекомендаций, данных производителем.

     Для начала нужно собрать исходную схему, согласно инструкции от производителя, и подключиться к выводам А и В с помощью осциллографа. Далее необходимо подкрутить подключаемый энкодер сначала по часовой стрелке, а затем – в противоположном направлении. При изменении направления вращения будет изменяться и последовательность замыкания контактных пластин.

     Поскольку в энкодерах работают контакты механического типа, то всегда есть риск возникновения так называемого дребезга. Это приводит к тому, что контакт может замыкаться и размыкаться самопроизвольно – из-за естественной упругости материала.

     Чтобы избежать дребезга, можно пойти двумя путями. Например, добавить еще несколько конденсаторных или резисторных элементов. Дребезги в этом случае можно довольно легко погасить. При этом осциллограф покажет крутые фронты и отсутствие дребезга.

     А вот второй метод является программным. Это потребует от исполнителя знаний программирования. Зато можно будет отслеживать состояние энкодирующего устройства при помощи внешнего прерывания. В этом случае необходимо организовать задержки в течение 2-3 десятков миллисекунд после каждого срабатывания прерывания. В это время энкодер перестанет фиксировать изменения состояний вывода, следовательно, перестанет быть чувствительным к дребезгам.

     Используется несколько методов обработки данных, поступающих с прибора. Например, одна из его ножек подключается к выходу для внешнего прерывания и настраивается на прерывание по спадающим фронтам. При этом проверяется положение второй ножки. В том случае, если на ней фиксируется нулевое состояние, движение вала осуществляется в одном направлении. При этом светодиоды загораются или гаснут в зависимости от направления вращения.

     Согласно второму методу, нужно сравнить настоящее положение с предыдущим. Например, предыдущее состояние энкодера равнялось трем. Если последующее положение равняется одному, то вращение осуществляется в одном направлении. Если же оно равно двум, соответственно, в другом. Таким образом, можно будет осуществлять фиксацию перехода из одного положения устройства в другое, и устанавливать направление движения вращения.

     Крепление устройства с вращающимися объектами осуществляется через нормальные или полые валы. При этом полый вал может быть выполнен как в сквозном, так и в несквозном варианте. Здесь все зависит от конкретных конструктивных особенностей устройства и преследуемых целей.

     Валы энкодера и вращающихся объектов соединяются также с помощью гибких или жестких соединительных муфт. Как альтернативный вариант крепления, нередко используют монтаж прямо на вал самого объекта. Это возможно, если аппарат оснащен полым валом. Чтобы не допустить возможного возникновения несоосности и биений, можно зафиксировать его через штифты. Если же речь идет о неполом вале, то биение может быть скомпенсировано через гибкую деформацию втулки.

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 соед

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

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.

Типы энкодеров

Выделяют следующие типы энкодеров: инкрементальные (инкрементные) и абсолютные.

Инкрементальный энкодер

Инкрементальный энкодер — это устройство, которое определяет угол поворота вращающегося объекта, выдавая импульсный цифровой код. Используется для определения скорости вращения вала (оси), когда нет нужды сохранять абсолютное угловое положение при выключении питания. То есть, если вал неподвижен, передача импульсов прекращается. Другими словами, если включить энкодер этого типа, то отсчет поворота угла начнется с нуля, а не с угла на который он был выставлен до момента выключения. Оси объекта и энкодера соединяются между собой с помощью специальной гибкой переходной муфты или жесткой втулки, либо энкодер может помещаться собственно на сам вал. Основным преимуществом инкрементальных энкодеров является их простота, надежность и относительно низкая стоимость.

Абсолютный энкодер

Абсолютный энкодер выдает цифровой код, различный для каждого положения объекта, позволяет определять угол поворота оси даже в случае исчезновения и восстановления питания и не требует возвращения объекта в начальное положение, что является несомненным преимуществом этого типа энкодеров. Так как угол поворота всегда известен, то счетчик импульсов в этом случае не нужен. Сигнал абсолютного энкодера не подвергается помехам и вибрации и тем самым для него не нужна точная установка вала. Абсолютный энкодер используется в высокоточных системах: робототехника, станки с числовым программным управлением и др.

Выходной сигнал

Выходной сигнал инкрементального энкодера чаще всего представляет собой 2 импульсных сигнала со скважностью 50% сдвинутых  относительно друг друга на 90°. Сигналы с этих двух каналов (квадратура выхода (обычно A и B)) позволяют определить направление вращения энкодера и величину углового перемещения. Направление вращения определяется опережением или отставанием импульсов одного из каналов относительно второго канала. Величина перемещения определяется по количеству импульсов на этих двух каналах.  Для обработки выходного сигнала применяются специализированные счётчики импульсов, либо отдельно стоящие либо интегрированные в микропроцессоры , микроконтроллеры или ПЛК. В зависимости от способа обработки сигнала с энкодера можно  получать информацию о положении или о скорости. Такая гибкость позволяет широко применять энкодеры в современных системах автоматического управления в качестве датчиков обратной связи по обоим этим величинам.

В ряде случаев энкодер оснащается третьим каналом – индексным (обозначают I или Z). Импульс на нём появляется один раз за полный оборот энкодера. Этот импульс позволяет контролировать показания с каналов A и B, а также облегчает привязку показаний инкрементального энкодера к реальному положению механизма.

Преимущества абсолютных энкодеров

  • Запоминает свое положение после отключения питания и предлагает постоянный контроль положения.
  • Обычно имеют функции измерения скорости, масштабирования, предустановки и полевой шины.
  • Позволяет определить точное положение машины и контролировать хранение электронных данных.
  • Имеют несколько опций интерфейса: аналоговый, Ethernet, Fieldbus, параллельный, последовательный.
  • Возможны однооборотные и многооборотные варианты.
  • Оптический или магнитный принцип измерения.
  • Абсолютные энкодеры имеют разрешение до 16 бит или 65536 импульсов на оборот (PPR).

Применяемые технологии – магнитная и оптическая

     Сегодня энкодеры работают, как правило, на основании двух технологий – оптической и магнитной.

     Так, в приспособлениях оптического типа в качестве первичных датчиков сигналов выступают оптические диски, описанные выше. Число зачерненных и прозрачных отметок, расположенных на диске, будет определять и степень разрешения.

     Но в последнее время популярность начинают приобретать энкодеры магнитного типа. В них сигналы положения вала двигателя формируются специальным датчиком. При этом открываются новые технологические возможности, к примеру, программируемое число импульсов за один оборот.

Ситуации, когда необходимо применять абсолютные энкодеры

Абсолютный угловой датчик самостоятельно определяет данные о положении — ему не нужно полагаться на внешнюю электронику, чтобы выдать реальное текущее положение. Абсолютные преобразователи позволяют работать без дополнительных внешних компонентов и с повышенным быстродействием станкам и системам, которые:

  • полагаются на нелинейное позиционирование
  • обрабатывают большие детали
  • имеют длительный рабочий цикл

В реальной жизни абсолютные энкодеры обеспечивают более высокую точность работы оборудования:

  • Обратная связь в многоосевых станках с ЧПУ, используемых при производстве всевозможных деталей
  • Автоматическое определение высоты больничных коек с подъемным механизмом ножничного типа
  • Точное перемещение портальных осей для больших транспортных средств, таких как краны или морские / карьерные подъемники
  • Перемещение автоматических дверей или отсеков без конечных выключателей
  • Непрерывное точное роботизированное движение даже после сбоя питания

Очевидной сильной стороной абсолютных датчиков, особенно по сравнению с резольверами или инкрементальными аналогами, является влияние на общую производительность их точности и скорости определения положения.

Теги