Обновлено в июне 2016 года Лизой Эйтель || автор Джо Кимбрелл, менеджер по продуктам, Приводы, двигатели и движение, AutomationDirect

Датчики используются для определения положения, скорости и направления вращения вала двигателя и другого механического движения. Они предоставляют информацию, необходимую для точного управления различными приложениями, такими как позиционирование поворотного стола, подбор и размещение, сборка машин, 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 управления) — это специальный датчик, который фиксирует информацию о местоположении и передает эти данные другим устройствам. Информация о местоположении может быть определена с использованием 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 в него была встроена дополнительная защита для предотвращения загрязнения пылью, вибрацией и другими условиями, характерными для промышленных сред.

Магнитные энкодеры более надежны, чем оптические, но имеют меньшее разрешение и точность. Они часто используются в средах с чрезмерным количеством 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, но также не достигают высокого разрешения и точности оптических энкодеров.

Независимо от используемой технологии считывания, электроника энкодера улавливает движение и преобразует это движение в стандартные для отрасли электрические сигналы.

Легкая нагрузка, средняя нагрузка и тяжелая нагрузка — это термины, позволяющие дифференцировать энкодеры, указывая, какая нагрузка может быть приложена к валу. Легкий энкодер может выдерживать некоторое радиальное усилие на валу (например, 10 Н или 2,25 фунт-фут); в то время как мощный энкодер может выдерживать гораздо большее радиальное усилие на валу (например, 100 Н или 22,5 фунт-фут).

Экологические показатели также становятся более надежными по мере увеличения пошлины. Легкие энкодеры обычно имеют класс защиты IP40 и IP50 (защита от пыли); в то время как средне- и сверхпрочные энкодеры более прочны 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 кодировщик лучше всего подходит для данной работы.

Линейный кодировщик 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 полоса) имеет заданное разрешение с нанесенными на нее метками, которое считывается 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 кодерами — наlinearmotiontips.com/category/linear-encoders.

В отличие от измерения разрешения линейного энкодера, разрешение поворотного 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.

Кодеры бывают инкрементного и абсолютного стилей. Подобно линейным и поворотным энкодерам, инкрементные и абсолютные энкодеры имеют сходство, но отличаются проводкой и идентификацией перемещения.

Инкрементный энкодер считывает импульсы только для предоставления информации об относительном перемещении вала. У него нет информации о местоположении при включении, потому что он может только показать, как далеко он продвинулся с момента включения. Он сообщает об этих изменениях положения с помощью электрических импульсов. Эти импульсные потоки могут быть либо одноканальными (один выходной провод от энкодера), либо двухканальными (два провода).

Инкрементный энкодер сродни рулетке, на которой нет цифр, только галочки. Такое устройство показывало бы, как далеко что-то переместилось, но не исходное положение.

В отличие от этого, однооборотный поворотный абсолютный энкодер может точно сообщать, под каким углом он находится, даже при первом включении. Эти кодеры обычно используются для приложений в области промышленного управления и робототехники, которые не могут быстро или легко выполнить последовательность наведения. Абсолютный кодировщик подобен компасу в том смысле, что его точное положение отображается сразу же после просмотра.

Стандартный абсолютный энкодер имеет разрешение, аналогичное инкрементным энкодерам (ppr, ppi и т.д.), Но вместо вывода высокоскоростных импульсных потоков выходной сигнал задается в двоичном формате. Максимальное разрешение энкодера = 2n, где n = количество выходных проводов энкодера).

Итак, абсолютный кодер 4 ppr имеет 2 выхода, абсолютный кодер 8 ppr имеет 3 выхода, абсолютный кодер 16 ppr имеет 4 выхода и так далее. При потере питания фактическое значение положения будет известно при восстановлении питания, поскольку каждое положение 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, сделанных до включения, — нет. Для решения этой проблемы используются многооборотные абсолютные энкодеры.

Многооборотные абсолютные энкодеры обычно оснащены батареей или суперконденсатором, который отслеживает, на сколько оборотов повернулся энкодер, даже при выключенном питании. Многооборотный абсолютный энкодер подобен измерительному колесу, которое увеличивается один раз за оборот. Эти кодеры 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 выдают высокоскоростную последовательность импульсов. Однако однооборотные абсолютные энкодеры предназначены для подключения к системам ввода-вывода промышленной автоматизации общего назначения.

Серый код
Существует 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 файл:

Десятичное число

Двоичный код

12

01100

13

01101

14

01110

15

01111

16

10000

17

10001

18

10010

Обратите внимание, что при переходе от десятичной системы счисления 15 к 16 все 5 цифр меняют состояние одновременно. Если ПЛК считывает входные данные именно в тот момент, когда происходит этот переход, неправильное значение может быть временно декодировано ПЛК по крайней мере для одного сканирования, поскольку каждый выходной сигнал может не изменять состояние в один и тот же точный момент.

Если выходы на машине 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 позиции считывания может быть проблематичным.

Чтобы бороться с этой проблемой одновременного чтения 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 декодировать 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 Gray является то, что не очень интуитивно определить 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 датчиков
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- имеется положительное напряжение. Когда канал A выключен, существует отрицательная разница напряжений между A и A-. Величина перепада напряжения будет больше 2,5 В. То же самое происходит для каналов B и Z. Выходы линейного драйвера обеспечивают сигнал высокого качества и достаточно устойчивы к электрическим помехам.

Кодеры линейных драйверов очень просто подключать к входам ПЛК или контроллера движения, оснащенных линейными драйверами. Для каждого выхода (A, B, Z) требуется два провода, плюс два провода для питания (обычно 5 В постоянного тока).

Второй тип выходного сигнала — это открытый коллектор или NPN-транзистор (рис. 3). Датчики с открытым коллектором NPN “поглощают” ток с входов ПЛК sourcing (PNP) или контроллера движения. Входные сигналы «Прием» и «источник» просто относятся к току, протекающему в транзисторе. Для NPN-энкодера требуется вход PNP PLC или контроллера движения, поскольку энкодер поглощает ток, который поступает от ПЛК или контроллера движения. Для NPN-энкодеров требуется один вывод питания, по одному проводу на канал (A, B, Z) и один общий провод 0 В (постоянного тока) для всего обратного тока.

Датчик с открытым коллектором имеет провода A, B, Z и 0 В (и провод для + постоянного тока для питания электроники). Для датчиков с открытым коллектором NPN (погружение) требуется, чтобы главный ПЛК или контроллер движения имели входы PNP (sourcing). Датчики с открытым коллектором обычно принимают широкий диапазон напряжений.

Третий тип выходного сигнала энкодера — это двухтактная схема, также известная как выход тотемного столба (рис. 4). Двухтактный выход представляет собой специальную схему, которая может принимать 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 подает ток через входные сигналы sourcing или PNP, двухтактный энкодер может пропускать ток через нижний транзистор. Если ПЛК или контроллер движения пропускает ток через входы sinking или NPN, кодер будет подавать 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 отрезок “a”: A = ВЫКЛЮЧЕН и B = ВКЛЮЧЕН

Временной отрезок “b”: A и B оба выключены

Временной отрезок “c”: A = ВКЛЮЧЕНО и B = ВЫКЛЮЧЕНО

Временной отрезок “d”: A и B оба НА

Следовательно, квадратурный кодер с разрешением 100 ppr (100 “слотов” канала A или канала B) фактически создавал бы 400 различных состояний для каждого оборота кодера. 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 кодировщик определяет направление квадратурного рисунка. Схема энкодера на рисунке 5 имеет A = ВКЛ., затем B = ВКЛ. при вращении по часовой стрелке. Если бы этот кодировщик 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 инкрементный энкодер в качестве устройства обратной связи. Сервопривод может реагировать на внешний сигнал (бесконтактный переключатель, механический концевой выключатель и т.д.), затем переходить к следующему появлению Z-импульса энкодера для чрезвычайно точного позиционирования.

Как правило, Z-импульс энкодера установлен на заводе и не может быть перемещен. Однако несколько семейств энкодеров предлагают “крепежные зажимы для сервопривода”, 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 скорости. Механическое ограничение скорости — это фиксированное значение оборотов в минуту, которое представляет собой максимальную скорость, которую энкодер может выдержать без возможного повреждения. Ограничение электрической скорости определяется максимальной скоростью переключения (частотной характеристикой) электроники внутри энкодера.

Ограничение электрической скорости 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 кодеров, и оно показывает, как быстро электроника может физически переключаться с выключения на включение.

Поскольку максимальная электрическая скорость зависит от ppr, разрешение каждого кодера в пределах данного семейства кодеров имеет различную максимальную электрическую скорость. Например, кодер с частотой вращения 3 ppr при 5000 об/мин выдает импульсы частотой 250 Гц, в то время как кодер с частотой вращения 1000 ppr при 5000 об/мин выдает импульсы с гораздо более высокой частотой 83 кГц. Таким образом, кодер на 1000 ppr имеет гораздо меньшую максимальную скорость, чем кодер на 3 ppr, поскольку скорость будет ограничена максимальной частотной характеристикой для семейства кодеров.

Если приложение требует высокой скорости или высокого разрешения, необходимо учитывать как механические, так и электрические ограничения скорости энкодера. Меньшая из двух максимальных скоростей — это самая высокая скорость, на которую может работать кодировщик.

Например, кодировщик 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 кодерам, те же вычисления справедливы и для абсолютных кодеров. Одним из дополнительных соображений, касающихся абсолютных энкодеров, является то, что входы постоянного тока общего назначения не являются высокоскоростными входами, поэтому время отклика от включения до выключения ПЛК общего назначения и плат ввода постоянного тока контроллера движения может ограничивать скорость абсолютного энкодера больше, чем частота переключения энкодера.

Прямая автоматизация —www.automationdirect.com•Автоника —www.autonics.com•СРЕДНЕЕ значение —www.autotechcontrols.net•Баумер —www.baumer.com•ДЛЯ датчиков —www.beisensors.com•Динапар —www.dynapar.com•Компания Encoder Products Co. —www.encoder.com•ХАЙДЕНХАЙН —www.heidenhain.us•Промышленная автоматизация Nidec Avtron —www.nidec-avtron.com•Ренишоу —www.renishaw.com•Американский цифровой —www.usdigital.com

Информация о перепечатке >>