Энкодер что это такое
Перейти к содержимому

Энкодер что это такое

  • автор:

Принцип работы энкодера, как он устроен и как работает

Энкодер (ДУП) – это специальное устройство, необходимое для точного измерения интересующих параметров движения детали цифровым способом (угол поворота/направление/скорость и позиция), к примеру, редуктора или вала на электродвигателе. Стоит отметить, что данное устройство может носить название преобразователя угловых помещений.

Своё применение энкодер нашёл в разных системах точных перемещений, в промышленности (станкостроительные заводы); в роботостроении, измерительных устройствах, для которых важен точный учёт измерений вращения, поворота, наклона и угла. Также их применяют в таких сферах как: автомобилестроение и компьютерная техника.

Принцип работы энкодера заключается в его передаче сигнала на вращающийся объект. При этом он позволяет увидеть такие данные как: угол поворота/направление/скорость и позиция.

Устройство и виды энкодеров

Энкодер с ручкой - самый простой вариант

Как вы уже узнали, энкодер – это поворотный датчик. Самый простой датчик оснащён ручкой, способной совершать поворот, как по стрелке часов, так и против неё. От поворотного угла и направления зависит выдаваемый цифровой сигнал, который информирует либо о том, какое положение приняла ручка, либо её стороне поворота. Обычно у таких энкодеров ручка применяется ещё в виде кнопки.

Датчики поворотного угла подразделяют по следующим критериям:

  • Принцип выдачи данных: инкрементный и абсолютный;
  • Принцип работы: оптический, магнитный и механический;

Инкрементальный энкодер принцип работы

Инкрементный энкодер

Имея более простую конструкцию, преобразователь формирует импульсы, благодаря которым устройство приёма информации определяет нынешнее положение объекта, подсчитывая счётчиком число импульсов. Сразу после приведения данного вида ДУПа в действие положение интересующего объекта (вала) неизвестно. Для подключения системы отсчёта непосредственно к отсчётному началу такие датчики оснащены нулевой меткой. Через них валу необходимо пройти после соответствующего включения устройства.

Из недостатков данного вида датчиков можно выделить то, что определить пропуск импульсов от преобразователя не представляется возможным. Это соответственно является причиной накопления ошибки при выявлении поворотного угла объекта (пока он не пройдёт нуль-метку). Для выявления направления поворота используется пара измерительных каналов – косинусный и синусный. В них одинаковые импульсные последовательности перемещены ровно на 90 градусов относительно обоих каналов.

Абсолютный энкодер устройство

Абсолютный энкодер

У этого типа ДУПа его поворотный круг поделён на определённые пронумерованные сектора, обычно идентичного размера. Во время работы он выдаёт конкретный секторный номер, в котором он непосредственно и находится. Именно поэтому данное устройство называют абсолютным. Благодаря его устройству можно легко определить угол/положение/направление энкодера относительно начального (нулевого) сектора.

Помимо этого абсолютный датчик угла не требует присоединения систем отсчёта к какому-нибудь нулевому значению. В нём используется специальный код Грея, позволяющий не допустить ошибки при работе. Из недостатков можно выделить только то, что микроконтроллер будет вынужден постоянно его переводить в двоичный код, чтобы выяснить положение ДУПа.

Оптические ДУПы

Они отличаются наличием диска из стекла с оптическим растром, закреплённого на валу. Во время вращения вала создаётся поток света, который впоследствии принимается фотодатчиком.

Абсолютный оптический датчик – это ДУП, в котором каждое положение вала имеет свой выходной цифровой код. Этот код является одним из основных параметров устройства. Данный датчик, как и инкрементный, вычисляет и закрепляет параметр движения оптического диска.

Магнитные

Магнитный энкодер регистрирует передвижение движущегося магнитного элемента, а именно его магнитных полюсов рядом с чувствительным элементом, переводя полученные данные в определённый сигнал.

Механические

Отличаются наличием диска, материал которого представлен диэлектриком, с нанесённым на него выпуклым или непрозрачным участком. В механической системе абсолютный угол считывается с помощью линейки переключателей/контактов, а в оптической с помощью линейки оптронов. Выходной сигнал представлен кодом Грея, позволяющим убрать неоднозначность интерпретируемого сигнала.

Недостаток механического энкодера представляет собой дребезжание контактов, зачастую приводящий к неверному подсчёту и выявлению направления движения. Оптический и магнитный энкодеры не имеют этой особенности.

Параметры

Первоначальный параметр любого ДУПа представлен числом импульсов, получаемых за совершение одного оборота (разрешение/разрядность). Зачастую этот параметр равен 1024 за один оборот.

Из других критериев можно выделить:

  • Напряжение – от пяти до 24В;
  • Вид вала – пустой, сплошной;
  • Размер вала/отверстия;
  • Вид выхода – транзисторный и другие;
  • Размер корпуса;
  • Вид крепления.

Абсолютный оптический датчик

Установка

Энкодер устанавливают соответственно на валу, информацию которого необходимо получить. Для установки требуется специальная переходная муфта, с помощью которой можно скомпенсировать возможную разность в размерах с валом энкодера. Важно! Корпус ДУПа должен быть крепко зафиксирован.

Для монтажных работ преобразователя с полым валом необходим другой способ. В таком варианте вал, информацию которого нужно получить, включён внутрь ДУПа и закрепляется в пустой втулке. Стоит учитывать, что у такого типа ДУП корпус не закрепляется.

Подключение

В самом лёгком варианте, если имеется возможность, выход преобразователя подключается к входу счётчика и программируется на параметр скорости.

Однако обычно преобразователь используют вместе с контроллером. К нему присоединяют интересующие выходы. Далее программа определяет положение/скорость/ускорение объекта. К примеру, устройство установлено на электродвигательном валу, перемещающем один элемент в сторону другого. После вычислений на устройстве вывода виден зазор между элементами, при достижении которого движение элементов останавливается, для обеспечения их сохранности.

Назначение и виды энкодеров

Энкодер (преобразователь угловых перемещений) – это электронное устройство, позволяющее с необходимой точностью измерить различные параметры вращения какой-либо детали, как правило, вала электродвигателя или редуктора.

Измеряемыми параметрами могут быть: скорость вращения, угловое положение по отношению к нулевой метке, направление вращения. Фактически энкодер является датчиком обратной связи, на выходе которого цифровой сигнал меняется в зависимости от угла поворота. Этот сигнал обрабатывается и далее подается на устройство индикации или на привод.

Применение энкодеров

Энкодеры широко применяются в промышленном оборудовании в ситуациях, когда необходима точная информация об объекте, который вращается или перемещается. Это может быть лента транспортера с какими-либо деталями или грузами, система измерения длины и проч. Энкодер позволяет цифровым способом узнать точную позицию детали или угол её поворота.

Виды энкодеров

Существуют два вида энкодеров – инкрементальный и абсолютный.

Инкрементальный энкодер по конструкции проще абсолютного и используется в подавляющем большинстве случаев. Данное устройство можно представить как диск с прорезями, который просвечивается оптическим датчиком. При вращении диска датчик включается или выключается в зависимости от того, находится ли он над прорезью или нет. В результате на выходе энкодера формируется последовательность дискретных импульсов, частота которых зависит от разрешения устройства (см. ниже) и частоты его вращения.

Инкрементальный и абсолютный энкодеры Siemens

Для того, чтобы определять начальное положение (точку отсчета), используется нуль-метка (выход Z, Zero), которая формируется один раз на полный оборот. Для определения направления вращения у энкодеров обычно имеются два выхода (А и В), на которых импульсы сдвинуты по фазе на четверть периода. По разнице фаз можно однозначно определить, в какую сторону вращается вал.

Основным минусом инкрементального энкодера является необходимость непрерывной обработки и анализа сигналов — для этого требуется контроллер и соответствующая программа. Кроме того, чтобы узнать положение инкрементального энкодера после подачи на него питания, необходимо провести инициализацию для поиска нуль-метки.

Абсолютный энкодер имеет более сложное устройство, но позволяет определить угол поворота в любой момент времени, даже в неподвижном состоянии механизма сразу после включения питания. На выходе абсолютного энкодера действует параллельный код Грея, разрядность которого определяет разрешение, а значит и точность показаний датчика.

Основные параметры

Главный параметр любого энкодера – разрешение, то есть количество импульсов (для абсолютного преобразователя – разрядность, или количество бит) на один оборот. Довольно часто используются преобразователи с разрешением 1024 импульса на оборот.

  • напряжение питания – от 5 до 24 В
  • тип вала – сплошной, полый, без вала (сквозное отверстие)
  • диаметр вала или отверстия
  • тип выхода – как правило, транзисторный выход с открытым коллектором
  • также учитываются размер корпуса, тип крепления и степень защиты

Также учитываются размер корпуса, тип крепления и степень защиты.

Монтаж

Энкодер крепится на валу, параметры вращения которого измеряются. Для монтажа используется специальная переходная муфта, позволяющая компенсировать возможную несоосность с валом энкодера, при этом его корпус должен быть жестко зафиксирован.

Другой вариант крепежа подходит для преобразователей с полым валом. В этом случае вал, параметры вращения которого подлежат измерению, непосредственно входит внутрь преобразователя и фиксируется в полой втулке либо в сквозном отверстии. В данном случае корпус энкодера не фиксируется, за исключением какой-либо пластины или ограничителя, не позволяющей ему вращаться.

Подключение

В простейшем случае, если позволяет ситуация, выход энкодера можно подключить ко входу счетчика и запрограммировать его на измерение скорости.

Но, как правило, энкодер используется совместно с контроллером. К контроллеру подключаются все необходимые выходы, и его программа рассчитывает скорость, ускорение, положение объекта с необходимыми коэффициентами и размерностями.

Например, энкодер установлен на валу электродвигателя, который перемещает одну деталь по направлению к другой. Путем вычислений на экране оператора отображается зазор между деталями, а при достижении некоторого минимального зазора движение деталей прекращается, чтобы избежать их повреждения.

Также преобразователи угловых перемещений нередко используются в качестве элемента обратной связи на валу двигателя, подключенного через частотный преобразователь. В этом случае энкодер устанавливается на валу двигателя или редуктора, и подключается к частотнику через специальную плату сопряжения. Таким образом, появляется возможность точного позиционирования поддержания нужной скорости и момента двигателя.

Что такое энкодер и его сферы использования?

Что такое энкодер и его сферы использования?

Благодаря инженерному интересу к робототехнике и ее возможностям, стремительному развитию автомобилестроения и оптимизации работы электро-вычислительных машин, в технике появилось новое устройство под названием энкодер.

Что такое энкодер? Если быть более точным, то энкодер – прибор, который конвертирует угловое или линейное перемещение в последовательность сигналов.

Известен еще как датчик угла поворота – преобразует угол поворота объекта, который вращается (вал) в электрические сигналы, позволяющие определить тот же угол поворота (вала), направление его вращения и положение относительно оси.

Потребность в данном датчике возникла при поиске новых, более совершенных методов создания и работы всем известных сервомоторов. Первым был импульсный магнитный энкодер, который определял положение ротора в системе бесщеточного двигателя постоянного тока (двигатель с электронной коммутацией). Энкодер во время вращения производил импульсы по числу полюсов магнита.

На данный момент по типу действия, мы имеем как минимум три вида энкодеров:

  1. Магнитные;
  2. Магниторезисторные;
  3. Оптические.

Наряду с энкодерами, нередко используются и датчики температуры, поскольку там, где есть механическое или любое другое движение возникает трение и рост температуры, значения которой не должны превышать допустимых норм.

Сферы применения энкодеров

Энкодер используется в:

  • печатной промышленности – вращение валов, по которым проходит печатная бумага и краска;
  • металлообработке – вращение валов с металлическими лентами и т.д;
  • робототехнике – движение разных частей тела робота;
  • автомобильной технике – определение положения колес при повороте;
  • городском хозяйстве — лифтовой технике;
  • пищевая, химическая промышленность — автоматы для фасовки, упаковки и разлива;
  • электро-вычислительная техника — компьютерные мыши;
  • электротехника – сервомоторы и прочих устройствах, требующих точных измерений показателей движения элементов и объектов.

Учитывая то, что как минимум в пяти из девяти пунктов используются установки, принцип работы которых основан на давлении воздуха/масла/краски, то не лишними будут и датчики давления. Они позволят вовремя определить уровень износа постоянно работающих механизмов и заменить их без вреда для производства.

Выбирая электронное, электронно-механическое и механическое оборудование в интернет-магазине «Энергопуск», вы обеспечиваете свое производство или дом только качественными устройствами, которые будут достойно служить вам.

Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:
8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Пт)

Что такое энкодер: типы и принцип работы

О том, что это устройство требуется для самых разных производственных задач, знают многие. При этом далеко не все четко понимают, как работает энкодер, что он собой представляет, для чего нужен энкодер и из чего состоит. Настоящая статья — небольшой ликбез на эту тему в вольном изложении. Надеемся, она кому-то окажется полезной. Начнем с матчасти.

Что такое энкодер?

Энкодер, также известный как датчик угла поворота и преобразователь угловых перемещений, — это специальное устройство для точного измерения характеристик вращающихся объектов (например, вала двигателя). Он регистрирует нужные параметры и формирует электрические сигналы, содержащие необходимую информацию.

Нужные параметры — это угол поворота вала, скорость его вращения, направление движения и местоположение вращаемой детали относительно базовой позиции. Подобные устройства требуются в самых разных направлениях производства, где нужны высокоточные измерения. Например, в машиностроении и робототехнике.

Применение энкодеров

Чаще всего их применяют в следующих сферах:

  1. Производство станков — направление специализированных предприятий, которые производят разнообразные станки и оборудование для металлообработки, запасные части и комплектующие к ним.
  2. Системы точного перемещения — технические решения, обеспечивающие высокоточное позиционирование. Такие системы могут быть как с ручным приводом, так и с линейным двигателем.
  3. Производство измерительного оборудования — контрольно-измерительных приборов, блоков преобразования сигналов, арматуры для датчиков давления и температуры и многого другого.

Также в некоторых сферах требуются высокопроизводительные датчики угла поворота, рассчитанные на эксплуатацию при высоких температурах и устойчивые к взрывам. Кроме перечисленных направлений, назначение энкодера может быть и иным:

  • типография — энкодеры закрепляют на валах, по которым перемещается материал для печати (бумага, виниловая пленка, баннерная ткань и т. д.);
  • автомобильная промышленность — для определения точного угла поворота колес или взаимодействия с двигателями;
  • в производстве химических средств — для оборудования, обеспечивающего автоматизированную фасовку.

Типы энкодеров

По принципу работы, конструкции и форме выдаваемого сигнала преобразователи угловых перемещений делятся на два основных вида — инкрементальные (также называемые инкрементные) и абсолютные. Давайте разберем виды энкодеров и их ключевые особенности.

Инкрементальный энкодер

У такого энкодера принцип работы самый простой, как правило, его функциональных возможностей достаточно для большинства задач. Устройство представляет собой диск с прорезями. При вращении его просвечивает оптический датчик, который активируется или деактивируется в зависимости от того, в каком положении он находится относительно прорези.

По сути, устройство неспособно определить местоположение ручки, оно знает лишь направление, а количество делений поворота фиксирует контроллер. Результат работы такого преобразователя угловых перемещений — последовательность цифровых сигналов частоты, зависящей от его разрешения и частоты вращения.

Самый распространенный пример инкрементального энкодера в быту — это регулятор громкости акустической системы с цифровым управлением. Его отличает наличие шкалы с конкретными значениями, например, от 0 до 10. Другой пример — навигация по разнообразным меню.

Главные плюсы инкрементального энкодера — доступная цена, достаточная для большинства задач функциональность и легкость обработки сигналов (последовательных импульсов). В минусы устройства обычно записывают необходимость этой самой обработки выходных сигналов в постоянном режиме, а также инициализации для поиска нуль-метки или нулевого положения механизма.

Абсолютный энкодер

Такой преобразователь угловых перемещений лишен недостатков, характерных для инкрементальных устройств. Диск разбит на секторы одинакового размера, а выходной сигнал соответствует текущему углу поворота. Благодаря такой конструкции устройство фиксирует значение угла в любой момент времени, даже если механизм неподвижен. Присоединять систему отсчета датчика к определенному нулевому значению не нужно.

Более точный принцип действия энкодера абсолютного типа требуется далеко не всегда. В основном такие устройства приобретают для сложного оборудования, когда возможность знать точное позиционирование объекта в любой момент времени является критически важной. Недостатки таких преобразователей:

  • они в несколько раз дороже инкрементальных;
  • их выходной сигнал (параллельный код) сложнее обрабатывать.

Отличия энкодеров абсолютного типа тоже есть, они бывают однооборотными и многооборотными. Эта характеристика определяет сферу их эксплуатации. Однооборотные модели, как правило, применяют для измерения углов поворота. Они регистрируют абсолютное значение после одного совершенного оборота, затем код приводится в начальное значение.

Многооборотные модели, в свою очередь, снабжены дополнительным передаточным механизмом, с которым устройство также фиксирует количество оборотов. Такие энкодеры требуются для систем с линейным перемещением.

Оптический энкодер

По конструкции и принципу работы это устройство схоже с инкрементальным. Прибор представляет собой стеклянный диск, прочно зафиксированный на валу. Оптический датчик поворота преобразует момент вращения в поток света, принимаемый фоточувствительным датчиком.

Каждому положению диска этого устройства соответствует свой цифровой код. Вместе с количеством оборотов он представляет собой одну единицу измерения энкодера. Оптические преобразователи угловых перемещений бывают двух типов:

  1. Магнитные. При вращении вала они фиксируют прохождение полюса магнита, который расположен возле чувствительного элемента. Сигналы передаются в цифровой форме. Плюсы этого варианта — простая конструкция, меньше требований к условиям эксплуатации и более доступная стоимость.
  2. Фотоэлектрические. Эти устройства используют фотоэлектрический эффект, который вызывает попадание света на датчик и его преобразование в сигнал электрического тока. Фотоэлектрические энкодеры отличаются высокой чувствительностью, при этом обладают хорошей точностью.

Механический энкодер

В сравнении с перечисленными выше вариантами такое устройство можно назвать устаревшим, поскольку оно передает аналоговый сигнал. Материалом для изготовления диска служит диэлектрик с выпуклыми либо непрозрачными участками. Наличие контактов и переключателей делает возможным расчет значения абсолютного угла.

Главный минус механических энкодеров — их низкая надежность. Неизбежное разбалтывание контактов приводит к искажению сигнала и, соответственно, неверным или как минимум недостаточно точным показаниям. Ни один из более современных вариантов не имеет такого недостатка.

Есть и другие, менее известные энкодеры, устройство и принцип работы их могут отличаться от рассмотренных выше. Как правило, они менее распространены, поскольку имеют более существенные недостатки при отсутствии видимых преимуществ.

Подключение энкодера

Прежде всего важно понимать, что энкодер любого типа лишь формирует сигналы, на этом его функциональная роль заканчивается. Он передает их другому устройству для последующей обработки. Это может быть не только контроллер но и, например, счетчик, запрограммированный на измерение заданных параметров (в первую очередь — скорости).

Также энкодер подключают к преобразователям частоты, обеспечивающим питание электродвигателя. В этом случае появляется возможность точно позиционировать устройство и задавать определенную скорость, не используя для этого контроллер (векторное управление). В результате дальнейших расчетов можно получить данные о скорости вращения, его направлении, местоположении вала или другого объекта.

В случае с контроллером для соединения используют нужные выходы, при этом вычислением положения и скорости вала уже занимается программа. Типичный сценарий: энкодер, закрепленный на валу электродвигателя, который движется в сторону другого элемента конструкции. При достижении заданного расстояния между ними первый останавливается во избежание повреждений оборудования.

Физически энкодер в большинстве случаев подключают трех- или шестипроводной схемой, есть и другие варианты соединения. Главным фактором, влияющим на способ подключения датчика, является тип принимающего устройства. Крайне важно:

  • не экономить на кабеле — использовать следует только тот, который рекомендован заводом-производителем;
  • использовать дополнительный источник питания, если на принимающем устройстве нет клемм для питания датчика;
  • не подключать высокоточный энкодер к источникам, используемым для питания реле и других датчиков (чревато помехами и неверными показаниями).

Как выбрать энкодер

Теперь, когда с матчастью покончено, перейдем к критериям выбора этого устройства. Проще всего, когда его приобретают для разрабатываемой системы — на этой стадии производится комплексный расчет всей инженерной конструкции. Соответственно, датчик подбирают в соответствии с конкретными требованиями технического задания.

Также бывают ситуации, когда этот прибор вышел из строя или стал работать нестабильно, оказался недостаточно надежен, дорог в обслуживании и т. д.

В первом случае — когда речь только о поломке — достаточно переписать маркировочные данные на корпусе энкодера и подобрать устройство с такими же характеристиками. Во втором случае — если необходимо приобрести прибор с другими параметрами — лучше всего обратиться к специалистам по подбору такого оборудования.

В общем случае при выборе энкодера принимают во внимание следующие факторы:

  1. Местоположение монтажа устройства. Важно заранее понимать, где оно будет устанавливаться, — внутри помещения или на улице. Во втором случае может понадобиться защита от влаги и посторонних мелких предметов (IP).
  2. Тип энкодера. Как правило, выбор лежит между инкрементальным, абсолютным или магнитным датчиком. Здесь нет никакого смысла приобретать в несколько раз более дорогой вариант с функциональностью, которая никогда не будет задействована.
  3. Тип выходного сигнала. Бывают ситуации, когда этот параметр играет очень важную роль в силу особенностей дальнейшей обработки информации. Здесь только специалист сможет сказать, какой конкретно сигнал ему нужен.
  4. Разрядность/разрешение. По сути, это количество создаваемых импульсов на один оборот диска. В зависимости от модели, эта характеристика может иметь значение от 1 до 5000 импульсов за оборот.

Последнюю характеристику — разрешение — рассмотрим более детально. Ее выбирают, отталкиваясь от скорости вращения вала электродвигателя — программная часть энкодера должна успевать генерировать сигналы. Важно заранее убедиться в том, что паспортное разрешение датчика соответствует частоте вращения вала исполнительного органа.

Обратим внимание на один очень существенный момент. Нет никакого смысла приобретать энкодер с более высоким значением разрядности, если контроллер или иное устройство, принимающее сигнал, не будет успевать считать все импульсы. В этом случае скорость и другие параметры могут быть рассчитаны неверно, точность будет низкой.

Более правильно начать вопрос выбора устройства и работы энкодера с количества импульсов на оборот диска, которого достаточно, чтобы обеспечить нужную точность. В случае с электродвигателем с асинхронным короткозамкнутым ротором выбранная разрядность будет определять поведение системы.

Если эта характеристика очень мала, то вал мотора может двигаться с рывками. Также система может работать некорректно при удержании вала на нулевой скорости. Точно же предсказать, как в этом случае будет вести себя мотор, невозможно, не зная логики работы привода. Самый доступный способ подобрать подходящий вариант — проверять, как работает система при разных комбинациях привода, электромотора и энкодера.

По всем вопросам, связанным с энкодерами, их обслуживанием и ремонтом, вы можете обратиться в инженерную компанию 555. Звоните по любому телефону, чтобы выяснить все интересующие вопросы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *