Обновлено в июне 2016 года Лизой Эйтель || by Джо Кимбрелл, менеджер по продукции, Приводы, двигатели и движение, AutomationDirect
Энкодеры используются для определения положения, скорости и направления вращения вала двигателя и других механических перемещений. Они предоставляют информацию, необходимую для точного управления различными приложениями, такими как позиционирование поворотного стола, подбор и размещение, сборка станка, упаковка, робототехника и многое другое. Независимо от типа, все энкодеры обеспечивают определенный тип ориентации, который используется в качестве контрольной точки для контроля положения.
Энкодер (для промышленного контроля) — это специальный датчик, который фиксирует информацию о местоположении и передает эти данные на другие устройства. Информация о местоположении может быть определена с помощью одной из трех технологий: оптической, магнитной или емкостной.
Оптические энкодеры являются наиболее точными из стандартных типов энкодеров и наиболее часто используются в приложениях промышленной автоматизации (рис. 1). При выборе оптического энкодера важно, чтобы энкодер имел встроенную дополнительную защиту для предотвращения загрязнения пылью, вибрацией и другими условиями, характерными для промышленных сред.
Магнитные энкодеры более надежны, чем оптические энкодеры, но обладают меньшим разрешением и точностью. Они часто используются в средах с повышенным содержанием грязи, пара, вибраций и других факторов окружающей среды, которые могут повлиять на работу оптического энкодера.
Емкостные энкодеры являются относительными новичками в промышленной автоматизации. Эти энкодеры столь же надежны, как и магнитные энкодеры, но также не достигают высокого разрешения и точности оптических энкодеров.
Независимо от используемой технологии считывания, электроника энкодера распознает движение и преобразует это движение в стандартные для отрасли электрические сигналы.
Легкие, средние и тяжелые энкодеры — это термины, позволяющие различать их, указывая, какая нагрузка может быть приложена к валу. Энкодер малой мощности может выдерживать некоторое радиальное усилие на валу (например, 10 Н или 2,25 фунт-фут), в то время как энкодер большой мощности может выдерживать гораздо большее радиальное усилие на валу (например, 100 Н или 22,5 фунт-фут).
Экологические рейтинги также становятся более надежными по мере увеличения пошлины. Энкодеры малой мощности, как правило, имеют степень защиты IP40 и IP50 (защита от пыли), в то время как энкодеры средней и большой мощности более надежны и часто имеют класс защиты до IP65 (защита от брызг).
Для энкодеров существуют две основные геометрии — линейная и поворотная. Как следует из названий, линейные энкодеры измеряют движение по траектории, а поворотные энкодеры определяют вращательное движение. Таким образом, приложение определяет, какой энкодер лучше всего подходит для данной работы.
Линейный энкодер обычно состоит из шкалы (кодированной полосы) и чувствительной головки, которая считывает расстояние между кодировками шкал для определения положения. Разрешение линейного энкодера измеряется в импульсах на расстояние (импульсы на дюйм, импульсы на миллиметр и так далее). Шкала (кодированная полоска) имеет заданное разрешение с метками, встроенными в нее или нанесенными на нее, которые считываются головкой. Линейный энкодер с разрешением 100 ppi (точек на дюйм) считывал бы 100 меток на каждый дюйм перемещения.
Узнайте больше о линейных энкодерах —
включая различные способы измерения линейных расстояний, как линейные энкодеры повышают точность, первое соображение в выбор линейного энкодера, и функциональность Интернета вещей с линейными энкодерами — вlinearmotiontips.com/category/linear-encoders.
В отличие от измерения разрешения линейного энкодера, разрешение вращающегося энкодера измеряется в импульсах на оборот (ppr). Поворотный энкодер обычно состоит из внутреннего кодированного диска и чувствительной головки, используемой для определения положения поворота. Линейный энкодер очень похож на рулетку, в то время как поворотный энкодер больше похож на измерительное колесо. Поворотный энкодер с разрешением 100 ppr (точек на оборот) будет иметь 100 меток на своем кодированном диске.
Энкодеры бывают инкрементного и абсолютного типов. Подобно линейным и поворотным энкодерам, инкрементные и абсолютные энкодеры имеют сходство, но отличаются подключением и идентификацией перемещения.
Инкрементный энкодер считывает импульсы только для получения информации об относительном перемещении вала. У него нет информации о местоположении при включении питания, потому что он может показать только, как далеко он продвинулся с момента включения питания. Он сообщает об этих изменениях положения электрическими импульсами. Эти потоки импульсов могут быть либо одноканальными (один выходной провод от энкодера), либо двухканальными (два провода).
Инкрементный энкодер похож на рулетку, на которой нет цифр, только деления. Такое устройство показывало бы, как далеко что-то переместилось, но не исходное положение.
Напротив, однооборотный поворотный абсолютный энкодер может точно сообщить, под каким углом он находится, даже при первом включении питания. Эти энкодеры обычно используются для применений в промышленном управлении и робототехнике, которые не могут быстро или легко выполнить последовательность наведения. Абсолютный энкодер подобен компасу в том смысле, что его точное положение отображается сразу же после просмотра.
Стандартный абсолютный энкодер имеет разрешение, аналогичное разрешению инкрементных энкодеров (ppr, ppi и т.д.), но вместо вывода высокоскоростных потоков импульсов выходные данные задаются в двоичном формате. Максимальное разрешение энкодера = 2n, где n = количество выходных проводов энкодера).
Итак, абсолютный энкодер на 4 ppr имеет 2 выхода, абсолютный энкодер на 8 ppr имеет 3 выхода, абсолютный энкодер на 16 ppr имеет 4 выхода и так далее. При отключении питания фактическое значение положения будет известно при восстановлении питания, поскольку каждое местоположение в обороте абсолютного энкодера является уникальным двоичным значением.
У однооборотных абсолютных энкодеров есть один недостаток: точный угол наклона энкодера при включении очевиден, но количество оборотов, выполненных перед включением, — нет. Для решения этой проблемы используются многооборотные абсолютные энкодеры.
Многооборотные абсолютные энкодеры обычно имеют батарею или суперконденсатор, который отслеживает, на сколько оборотов провернулся энкодер, даже при выключенном питании. Многооборотный абсолютный энкодер аналогичен измерительному колесу, которое увеличивается один раз за оборот. Эти энкодеры обычно имеют последовательную связь и требуют специальных приемников для декодирования информации об их местоположении.
Как правило, инкрементные энкодеры должны быть подключены к высокоскоростным входам, хотя существуют ppr-энкодеры, которые не генерируют высокоскоростную последовательность импульсов. Однако однооборотные абсолютные энкодеры предназначены для подключения к системам ввода-вывода промышленной автоматизации общего назначения.
Серый код
Есть еще одно соображение при выборе однооборотных абсолютных энкодеров, и оно заключается в том, что многие из них не учитываются в стандартном двоичном коде. Вот как обычно подсчитывается двоичный код:
Десятичное число
Двоичный код
12
01100
13
01101
14
01110
15
01111
16
10000
17
10001
18
10010
Обратите внимание, что при переходе от десятичного числа 15 к 16 все 5 цифр изменяют состояние одновременно. Если ПЛК считывает входные данные точно в тот момент, когда происходит этот переход, неверное значение может быть временно декодировано ПЛК, по крайней мере, для одного сканирования, поскольку каждый выходной сигнал может не изменять свое состояние в один и тот же точный момент.
Если выходы на компьютере включаются и выключаются в зависимости от положения энкодера, может возникнуть большая проблема. Это может происходить не очень часто, но, учитывая, что ПЛК обновляет свою таблицу входных изображений при каждом сканировании (сотни, если не тысячи раз в секунду), любой сбой в положении считывания может быть проблематичным.
Для борьбы с этой проблемой одновременного считывания нескольких переходов был разработан код Грея. Код Грея — это особый вид двоичного кода, который увеличивается только на один бит за раз. Поскольку при каждом переходе изменяется только один бит, у ПЛК гораздо меньше шансов расшифровать ошибочные данные о местоположении.
Десятичное число
Двоичный код Серый код
0
0000 0000
1
0001 0001
2
0010 0011
3
0011 0010
4
0100 0110
5
0101 0111
6
0110 0101
7
0111 0100
Единственным недостатком кода Грея является то, что не очень интуитивно понятно определять его значение по мере изменения состояния битов. Однако логика декодирования кода Грея очень проста и может быть реализована с помощью минимальной лестницы или других методов программирования ПЛК.
Электрические выходы для инкрементных энкодеров
Различные инкрементные энкодеры предлагают различные типы электрических выходов: линейный драйвер, открытый коллектор NPN или двухтактный (тотемный столб), при этом пользователи выбирают тип выхода, наиболее подходящий для их применения.
Выход линейного драйвера представляет собой дифференциальный сигнал и требует двух уникальных выходных проводов на канал (рис. 2). Типичными обозначениями проводов являются A, A- (A “не”), B, B- (B “не”) и т.д. Когда канал A включен, между A и A- возникает положительное напряжение. Когда канал A выключен, возникает отрицательная разность напряжений между A и A-. Величина перепада напряжений будет превышать 2,5 В. То же самое происходит для каналов B и Z. Выходы линейного драйвера обеспечивают высокое качество сигнала и практически невосприимчивы к электрическим помехам.
Энкодеры линейного драйвера очень просто подключать к входам ПЛК или контроллера движения, оснащенным линейным драйвером. Для каждого выхода (A, B, Z) требуется два провода плюс два провода для питания (обычно 5 В постоянного тока).
Вторым типом выхода является открытый коллектор, или NPN-транзистор (рис. 3). Энкодеры с открытым коллектором NPN “поглощают” ток с входов ПЛК-источника (PNP) или контроллера движения. Входы ввода и вывода источника просто относятся к току, протекающему в транзисторе. Для энкодера NPN требуется вход PNP PLC или контроллера движения, поскольку энкодер поглощает ток, который поступает от ПЛК или контроллера движения. Энкодерам NPN требуется один провод питания, по одному проводу на канал (A, B, Z) и один провод 0 В (общий постоянный ток) для всего обратного тока.
Энкодер с открытым коллектором имеет провода A, B, Z и 0 В (и провод для + постоянного тока для питания электроники). Энкодеры с открытым коллектором NPN (погружающиеся) требуют, чтобы главный ПЛК или контроллер движения имели входы PNP (sourcing). Энкодеры с открытым коллектором обычно работают в широком диапазоне напряжений.
Третий тип выходных данных энкодера — это двухтактная схема, также известная как выходной сигнал тотемного столба (рис. 4). Двухтактный выход — это специальная схема, которая может пропускать или подавать ток на ПЛК. Ключом к схеме этого энкодера является пара транзисторов в энкодере. Когда один транзистор включен, другой выключен.
Если ПЛК или контроллер движения подают ток через входы sourcing или PNP, двухтактный энкодер может пропускать ток через нижний транзистор. Если ПЛК или контроллер движения пропускает ток через входы sinking или NPN, энкодер подаст ток через верхний транзистор.
В поворотном энкодере квадратурный выходной сигнал использует два разных канала (A и B), разделенных сдвигом фазы на 90 градусов для увеличения разрешения. Каждый из этих двух выходов может быть либо включен, либо выключен, что приводит к четырем различным “состояниям” для каждого сегмента разрешения:
Временной интервал “a”: A = выключен и B = ВКЛЮЧЕН
Временной отрезок “b”: A и B оба выключены
Временной интервал “c”: A = ВКЛЮЧЕН и B = ВЫКЛЮЧЕН
Временной отрезок “d”: A и B оба на
Следовательно, квадратурный энкодер с разрешением 100 ppr (100 “слотов” канала A или канала B) фактически выдавал бы 400 различных состояний для каждого оборота энкодера. Вот почему квадратурные энкодеры иногда называют энкодерами ×4 (умноженными на 4).
Схема включения и выключения A и B также показывает, в каком направлении поворачивается энкодер. Каждый энкодер определяет направление квадратурного рисунка. Схема энкодера на рис. 5 имеет значение A = ВКЛЮЧЕНО, затем B = ВКЛЮЧЕНО при повороте по часовой стрелке. Если бы этот энкодер был повернут против часовой стрелки, сначала включился бы B, затем A.
Некоторые инкрементные энкодеры имеют другой канал, называемый индексным каналом или Z-импульсом (импульс нулевого положения). Этот выходной сигнал подается один раз за оборот энкодера и используется для индикации того, когда диск энкодера пересекает фиксированное нулевое положение внутри энкодера (рис. 6).
Z-импульс может быть использован для сброса счетчика или для очень точного наведения. Например, рассмотрим сервопривод, который использует инкрементальный энкодер в качестве устройства обратной связи. Сервопривод может принимать внешний сигнал (бесконтактный переключатель, механический концевой выключатель и т.д.), а затем переходить к следующему появлению Z-импульса энкодера для чрезвычайно точного позиционирования.
Как правило, Z-импульс энкодера установлен на заводе-изготовителе и не может быть перемещен. Однако несколько семейств энкодеров предлагают “сервомонтажные зажимы”, которые позволяют поворачивать корпус энкодера или “синхронизировать” его после установки, так что сигнал Z-импульса возникает в желаемом положении относительно функции машины.
Поворотные энкодеры имеют как механические, так и электрические ограничения по скорости. Механическое ограничение скорости — это фиксированное значение оборотов в минуту, которое является максимальной скоростью, которую энкодер может выдерживать без возможного повреждения. Ограничение электрической скорости определяется максимальной скоростью переключения (частотной характеристикой) электроники внутри энкодера.
Предельная электрическая скорость определяется по формуле Максимальная электрическая скорость = (максимальная частотная характеристика/импульсы на оборот) × 60 с/мин. Максимальная частотная характеристика — это фиксированное число (в герцах) для каждого семейства энкодеров, и оно указывает, насколько быстро электроника может физически переключаться с выключения на включение.
Поскольку максимальная электрическая скорость зависит от ppr, разрешение каждого энкодера в рамках данного семейства энкодеров имеет различную максимальную электрическую скорость. Например, энкодер мощностью 3 ppr, вращающийся со скоростью 5000 об/мин, выдает импульсы с частотой 250 Гц, в то время как энкодер мощностью 1000 ppr, вращающийся со скоростью 5000 об/мин, выдает импульсы с гораздо более высокой частотой — 83 кГц. Таким образом, энкодер мощностью 1000 ppr имеет гораздо меньшую максимальную скорость, чем энкодер мощностью 3 ppr, поскольку скорость будет ограничена максимальной частотной характеристикой семейства энкодеров.
Если приложение требует высокой скорости или высокого разрешения, необходимо учитывать как механические, так и электрические ограничения скорости энкодера. Меньшая из двух максимальных скоростей является самой быстрой, которую может использовать энкодер.
Например, энкодер мощностью 100 ppr может иметь максимальную механическую частоту вращения 3000 об/мин и максимальную частотную характеристику (электрическую скорость) 100 кГц. Таким образом, максимальная скорость, с которой может вращаться этот энкодер, ограничена механическим пределом в 3000 оборотов в минуту, поскольку скорость электроники намного выше (100 кГц/100 ppr) × 60 с/мин = 60 000 оборотов в минуту.
Хотя приведенная выше информация в основном относится к инкрементным энкодерам, те же расчеты справедливы и для абсолютных энкодеров. Еще одно соображение, касающееся абсолютных энкодеров, заключается в том, что входы постоянного тока общего назначения не являются высокоскоростными входами, поэтому время срабатывания ПЛК общего назначения и плат ввода постоянного тока контроллера движения может ограничивать скорость абсолютного энкодера больше, чем частоту переключения энкодера.
Управление автоматизацией —www.automationdirect.com•Автоника —www.autonics.com•СРЕДНЕЕ ЗНАЧЕНИЕ —www.autotechcontrols.net•Баумер —www.baumer.com•Датчики BEI —www.beisensors.com•Динапар —www.dynapar.com•Компания по производству энкодеров. —www.encoder.com•ХАЙДЕНХАЙН —www.heidenhain.us•Промышленная автоматизация Nidec Avtron —www.nidec-avtron.com•Ренишоу —www.renishaw.com•Цифровые технологии США —www.usdigital.com
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии