Введение

Роторный кодер, также называемый кодером вала, – это электромеханическое устройство, преобразующее угловое положение или движение вала или оси в аналоговые или цифровые выходные сигналы. Существуют два основных типа роторных кодеров: абсолютные и инкрементные. Выход абсолютного кодера указывает текущее положение вала, что делает его угловым датчиком. Выход инкрементного кодера предоставляет информацию о движении вала, которая обычно обрабатывается для получения данных о положении, скорости и расстоянии. Роторные кодеры используются в широком спектре приложений, требующих мониторинга или управления механическими системами, или и того, и другого, включая промышленные системы управления, робототехнику, фотообъективы, компьютерные устройства ввода, такие как оптико-механические мыши и трекболы, реометры с контролируемым напряжением и вращающиеся радиолокационные платформы.

Технологии

Механические: Также известные как проводящие энкодеры. Для кодирования информации используется серия окружных медных дорожек, нанесенных на печатную плату, с помощью контактных щёток, определяющих проводящие области. Механические энкодеры экономичны, но подвержены механическому износу. Они часто используются в интерфейсах человек-машина, таких как цифровые мультиметры. Оптические: В этой технологии используется свет, направленный на фотодиод через щели в металлическом или стеклянном диске. Существуют также отражающие варианты. Это одна из наиболее распространенных технологий. Оптические энкодеры очень чувствительны к пыли. Магнитные энкодеры на оси: Эта технология обычно использует специально намагниченный 2-полюсный неодимовый магнит, закрепленный на валу двигателя. Поскольку магнит можно закрепить на конце вала, эта технология может использоваться с двигателями, у которых только один вал выходит из корпуса. Точность может варьироваться от нескольких градусов до менее 1 градуса. Разрешение может быть как низким, 1 градус, так и высоким, 0,09 градуса (4000 CPR, импульсов на оборот). Некачественная внутренняя интерполяция может вызывать дрожание выходного сигнала, но эту проблему можно решить с помощью усреднения выборок. Магнитные энкодеры вне оси: Эта технология обычно использует ферритовые магниты, связанные резиновым составом, и прикрепленные к металлическому узлу. Это обеспечивает гибкость в проектировании и низкую стоимость для специализированных применений. Благодаря гибкости многих чипов внеосевых энкодеров, их можно программировать для работы с любым количеством полюсов, что позволяет разместить чип в любом необходимом положении. Магнитные энкодеры работают в жестких условиях, где оптические энкодеры не смогут функционировать.

Абсолютно

Абсолютный энкодер сохраняет информацию о положении даже при отключении питания. Положение энкодера становится доступным сразу после подачи питания. Связь между значением энкодера и физическим положением управляемого оборудования устанавливается при сборке; системе не требуется возвращаться в точку калибровки для поддержания точности позиционирования. Абсолютный энкодер имеет несколько кодовых дисков с различными двоичными весами, которые формируют слово данных, представляющее абсолютное положение энкодера в пределах одного оборота. Этот тип энкодера часто называют параллельным абсолютным энкодером. Многооборотный абсолютный вращающийся энкодер включает в себя дополнительные кодовые диски и зубчатые колеса. Диск высокого разрешения измеряет долю оборота, а зубчатые кодовые диски с более низким разрешением фиксируют количество полных оборотов вала.

Постепенно

Инкрементальный энкодер немедленно сообщает об изменениях положения, что является важной характеристикой в некоторых приложениях. Однако он не сообщает и не запоминает абсолютное положение. Следовательно, механической системе, контролируемой инкрементальным энкодером, может потребоваться выполнить поиск нуля (переместиться в фиксированную опорную точку) для инициализации измерений абсолютного положения.

Строительство

Цифровые абсолютные энкодеры генерируют уникальный цифровой код для каждого определенного угла поворота вала. Они выпускаются двух основных типов: оптические и механические.

Механические абсолютные кодировщики

Металлический диск с набором концентрических колец отверстий закреплен на изолирующем диске, который жестко соединен с валом. Ряд скользящих контактов закреплен на неподвижном основании таким образом, чтобы каждый контакт соприкасался с металлическим диском на различном расстоянии от вала. При вращении диска вместе с валом, некоторые контакты замыкают цепь с металлом, а другие попадают в промежутки, где металл отсутствует. Металлический диск подключен к источнику электрического тока, а каждый контакт соединен с отдельным электрическим датчиком. Конфигурация металлического рисунка спроектирована таким образом, что каждое возможное положение вала формирует уникальный двоичный код, в котором некоторые контакты подключены к источнику тока (то есть замкнуты), а другие – нет (то есть разомкнуты). Контакты щеточного типа подвержены износу, поэтому механические энкодеры обычно применяются в малоскоростных устройствах, таких как ручные регуляторы громкости или настройки в радиоприемниках.

Оптические абсолютные кодировщики

Диск оптического энкодера изготавливается из стекла или пластика с прозрачными и непрозрачными областями. Источник света и массив фотодетекторов считывают оптический рисунок, формирующийся в зависимости от положения диска в данный момент времени. Часто используется код Грея. Этот код может считываться управляющим устройством, таким как микропроцессор или микроконтроллер, для определения угла поворота вала. Абсолютный аналоговый тип формирует уникальный двойной аналоговый код, который может быть преобразован в абсолютное значение угла поворота вала.

Кабельные кодировщики

Внутри энкодера вращается диск асимметричной формы. Этот диск изменяет ёмкость между двумя электродами, которую можно измерить и вычислить для определения углового положения.

Кодировщик с абсолютным многоповоротом

Многооборотный энкодер может обнаруживать и запоминать более одного оборота. Термин "абсолютный многооборотный энкодер" обычно используется, если энкодер будет регистрировать движения своего вала даже при отсутствии внешнего питания.

Многоповоротный кодер, работающий на батарейках

Этот тип энкодера использует батарею для сохранения значений счёта при отключении и повторном включении питания. Он использует энергосберегающую электрическую схему для определения перемещений.

Кодировщик с многоповоротной передачей

Эти энкодеры используют ряд шестерен для механического хранения числа оборотов. Положение отдельных шестерен определяется одной из вышеупомянутых технологий.

самооборотный многоповоротный кодер

Эти кодеры используют принцип накопления энергии для генерации энергии от вращающегося вала. Этот принцип, представленный в 2007 году, использует датчик Виганда для выработки электроэнергии, достаточной для питания кодера и записи количества оборотов в энергонезависимую память.

Однопутовая кодировка Gray

Если конструктор перемещает контакт в другое угловое положение (но на том же расстоянии от центрального вала), то соответствующий "кольцевой рисунок" необходимо повернуть на тот же угол для получения того же выходного сигнала. Если наиболее значимый бит (внутреннее кольцо на рисунке 1) повернут достаточно сильно, он точно совпадает со следующим кольцом. Поскольку оба кольца идентичны, внутреннее кольцо можно исключить, а датчик для этого кольца переместить на оставшееся, идентичное кольцо (но со смещением 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) таким образом, чтобы соседние положения различались только по одному датчику; результатом является однодорожечный энкодер серого кода.

Методы вывода данных

В зависимости от устройства и производителя, абсолютный энкодер может использовать различные типы сигналов и протоколы связи для передачи данных, включая параллельно-бинарные, аналоговые сигналы (по току или напряжению) и последовательные шинные системы, такие как SSI, BiSS, Heidenhain EnDat, Sick Stegmann Hiperface, DeviceNet, Modbus, Profibus, CANopen и EtherCAT, которые, как правило, используют физические уровни Ethernet или RS 422/RS 485.

Инкрементальный кодер

Роторный инкрементальный энкодер является наиболее широко используемым из всех роторных энкодеров благодаря его способности предоставлять информацию о положении в реальном времени. Разрешение измерения инкрементального энкодера ничем не ограничено его двумя внутренними инкрементальными датчиками движения; на рынке можно найти инкрементальные энкодеры с количеством отсчетов до 10 000 на оборот и более. Роторные инкрементальные энкодеры сообщают об изменениях положения без запроса и передают эту информацию с частотой, на порядки превышающей частоту передачи данных большинства типов абсолютных энкодеров вала. Благодаря этому инкрементальные энкодеры обычно используются в приложениях, требующих точного измерения положения и скорости. Роторный инкрементальный энкодер может использовать механические, оптические или магнитные датчики для определения изменений углового положения. Механический тип часто используется в качестве ручного управления "цифровым потенциометром" на электронном оборудовании. Например, современные домашние и автомобильные стереосистемы обычно используют механические роторные энкодеры в качестве регуляторов громкости. Энкодеры с механическими датчиками требуют устранения дребезга контактов и, следовательно, ограничены в скоростях вращения, которые они могут обрабатывать. Оптический тип используется при более высоких скоростях или когда требуется более высокая точность. Роторный инкрементальный энкодер имеет два выходных сигнала, A и B, которые выдают периодическую цифровую форму сигнала в квадратуре при вращении вала энкодера. Это аналогично синусным энкодерам, которые выдают синусоидальные формы сигнала в квадратуре (то есть синус и косинус), тем самым сочетая характеристики энкодера и резольвера. Частота сигнала указывает на скорость вращения вала, количество импульсов – на пройденное расстояние, а фазовое соотношение A и B – на направление вращения. Некоторые роторные инкрементальные энкодеры имеют дополнительный выход "индекс" (обычно обозначаемый Z), который выдает импульс при прохождении валом определенного угла. Один раз за оборот сигнал Z активируется, как правило, всегда под одним и тем же углом, до следующего изменения состояния AB. Это обычно используется в радиолокационных системах и других приложениях, требующих сигнального импульса при расположении вала энкодера в определенном опорном положении. В отличие от абсолютных энкодеров, инкрементальный энкодер не отслеживает и не указывает абсолютное положение механической системы, к которой он присоединен. Следовательно, для определения абсолютного положения в любой момент времени необходимо "отслеживать" абсолютное положение с помощью интерфейса инкрементального энкодера, который обычно включает двунаправленный электронный счетчик. Недорогие инкрементальные энкодеры используются в механических компьютерных мышах. Обычно используются два энкодера: один для определения движения влево-вправо, а другой – для определения движения вперед-назад.

Переключатель импульсов с вращающимся (угловым) кодировщиком

Импульсный вращающийся (угловой) энкодер имеет переключатель SPDT для каждого направления, при этом каждый из них активируется только в направлении вращения. Каждое углубление при вращении в одном направлении приводит к переключению только соответствующего переключателя SPDT.

Другие роторные кодировщики с выходом импульсов

Роторные энкодеры с одним выходом (то есть тахометры) не позволяют определить направление движения, но подходят для измерения скорости и определения положения при постоянном направлении движения. В некоторых приложениях их можно использовать для измерения пройденного расстояния (например, в футах).