что это, принцип работы, применение

Аналоги мировых брендов. Подробнее>>

Содержание:

• Применяемые технологии
• Выходной сигнал
• Основные параметры
• Когда применяют инкрементальные энкодеры
• Области применения

Инкрементальные энкодеры, в отличие от абсолютных, выдают информацию о положении относительно положения в предыдущий момент времени. После включения питания вся информация о предыдущих перемещениях пропадает и положение вала становится неопределённым. Как правило в таком случае механизм приходится перемещать в некоторое известное положение для того чтобы информация о положении снова стала актуальной.

Применяемые технологии

Работа современных энкодеров базируется на использовании определенных физических принципов, основными из которых являются магнитный, ёмкостной и оптический. Для определения положения объекта ёмкостной принцип предполагает использование изменений электрического поля, магнитный – изменений магнитного поля, оптический – изменений пучков света.

Оптические

Оптические датчики угла поворота используют изменения световых пучков, происходящие во время кругового движения кодового диска, с которым взаимодействуют пучки света. Работа оптических энкодеров основана на двух схемах: пропускательной и отражательной.

В случае пропускательной схемы световые пучки попадают на фотоприемники после прохождения через узкие отверстия в кодовом диске.

При отражательной схеме на кодовом диске происходит чередование зеркальных и рассеивающих участков. Отражающийся от зеркальных участков свет, попадает в приёмник оптического излучения.

Кодовый диск инкрементного энкодера (слева) и абсолютного энкодера (справа)

Магнитные

Магнитные энкодеры для работы используют изменения магнитного поля, которые происходят во время кругового движения кодового диска. В зависимости от способа измерения изменений, магнитные датчики углов поворота делятся на следующие виды:

• индуктивные – изменения, происходящие с магнитным полем, измеряются по изменениям взаимной индуктивности обмоток, находящихся на неподвижной и вращающейся части энкодера;
• магнитно-резистивные – в таких датчиках в качестве чувствительного элемента используются материалы, которые в магнитном поле изменяют свое сопротивление;
• на датчиках Холла – изменения магнитного поля оцениваются с помощью датчиков на эффекте Холла.

Ёмкостные

Принцип действия базируется на оценке изменений электрического поля, которые происходят при круговом движении кодового диска специальной конфигурации. Изменения емкости конденсатора, образованные вращающимся кодовым диском и обкладками на неподвижной части энкодера, является основанием для оценки электрического поля.

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.

Основные параметры

Разрешение

Разрешение инкрементального энкодера определяет какое минимальное перемещение вала датчика приводит к изменению сигнала на выходе датчика. У всех инкрементальных энкодеров разрешение приводится в полных циклах на один оборот. Под одним полным циклом подразумевается полный цикл измерения сигналов на двух основных каналах энкодера (A и B). При обработке сигнала инкрементального энкодера часто пользуются подсчётом импульсов «с учетверением». В этом случае подсчитывается каждый фронт (передний и задний) по обоим основным каналам энкодера A и B. Легко видеть что за время полного цикла таких фронтов будет 4 – 2 по каналу A и 2 по каналу B. Таким образом при такой обработке количество отсчётов на один оборот энкодера будет в 4 раза больше чем разрешение указанное в полных циклах.

Интерфейс

Все инкрементальные энкодеры имеют интерфейс в виде двух импульсных сигналов, а некоторые имеют и дополнительный индексный канал. Отличия могут заключаться в напряжении импульсных сигналов и в наличии дифференциального выхода (драйвера линии).

Импульсный сигнал формируемый на выходе инкрементального энкодера  принимает 2 значения – максимальное и минимальное. Минимальное значение в большинстве случаев соответствует нулю. Максимальное значение может быть или фиксированным (напр. 3,3 В, 5 В) так и зависеть от напряжения питания поданного на энкодер (например на 1В или на 2 В меньше напряжения питания).

По способу формирования выходного сигнала можно выделить энкодеры:

• с несимметричным выходом
• с дифференциальным выходом (с драйвером линии).

В случае несимметричного выхода сигналы всех трёх импульсных каналов формируются относительно общей точки источника питания (0 источника питания). Такой сигнал достаточно прост при использовании и экономичен с точки зрения числа подключаемых проводов, однако уязвим для электромагнитных помех в случае передачи по проводам значительной длины. Сигнал энкодеров с дифференциальным выходом лишён этого недостатка. Для каждого канала при помощи специального формирователя вместо одного сигнала формируется пара сигналов – нормальный и логически инверсный,  а соответствующий приёмник принимает сигнал по разности этой пары сигналов. Это позволяет устойчиво передавать сигнал по длинным проводам (десятки и сотни метров) даже при наличии помех.

Скорость вращения

Важным параметром о котором не следует забывать является максимальная скорость вращения при которой происходит корректная выдача выходного сигнала. Именно от него зависит можно ли будет установить инкрементальный энкодер на валу скоростных бесколлекторных двигателей или же его можно будет использовать только на выходе мотор-редукторов и сравнительно медленных моментных двигателей.

Когда применяют инкрементальные энкодеры

Вопрос о том какие энкодеры предпочтительней применить в той или иной системе неразрывно связан с требованиями, предъявляемыми к ней. Если сразу после подачи питания на систему датчик должен выдавать правильное положение, то тогда лучше применить абсолютный энкодер. А если после старта допускается период подготовки системы к работе когда можно провести вывод механизма в нулевое положение, то тогда можно применять инкрементальный энкодер.

Инкрементные энкодеры имеют более простую конструкцию, поэтому среди них можно найти модели очень компактных размеров, недостижимых для абсолютных датчиков. Этим определяется применение инкрементных энкодеров в малогабаритных системах.

Если энкодер используется только для определения скорости вращения механизма, то для выполнения этой функции достаточно инкрементного энкодера.

Области применения

Инкрементальные энкодеры являются одним из самых распространённых датчиков в современных сложных технических системах. Вот лишь некоторые примеры:

• Медицинская техника
• Автоматизированное тестовое и диагностическое оборудование
• Самодвижущиеся роботоподобные устройства
• Системы контроля доступа

Поделиться:

Нельзя добавить товар к сравнению. Вы уже добавили к сравнению товар из категории « XXX». Очистите список сравнения и попробуйте ещё раз.

Товар успешно добавлен в корзину

Энкодер: мастхэв производственной линии | Публикации

Всем привет! Кто меня не знает — я представлюсь: автор блога об электрике и электронике SamElectric.ru, активно практикующий электрик и электронщик Александр Ярошенко. Как обычно, мои статьи на страницах этого журнала тесно связаны с промышленным оборудованием. На этот раз я подробно рассматриваю энкодер — устройство, без которого не обходится ни одна солидная производственная линия.

Что такое энкодер?

Я обслуживаю парк промышленного оборудования, в котором широко применяются энкодеры. Об этом сегодня и поговорим. Разберем подключение и монтаж энкодеров, а напоследок — несколько реальных случаев их применения.

Надеюсь, что все читатели знают, что такое энкодер. На всякий случай напомню, что это электронное устройство, которое позволяет измерять скорость вращения, угловое положение либо направление вращения. Можно сказать иначе, энкодер — это датчик, который выдает сигнал в зависимости от угла его поворота.

Теоретически энкодеры бывают двух видов — инкрементальные и абсолютные. Абсолютные нужны там, где в любой момент времени (в том числе в момент подачи питания) нужно знать точное положение объекта. Но сейчас, с использованием обработки при помощи контроллеров, абсолютные энкодеры практически не используются. Тем более учитывая, что их цена в несколько раз выше, чем у инкрементальных энкодеров.

Одному полному обороту энкодера обычно соответствует 1024 различных уровня сигнала, они говорят о его угловом положении. В более совершенных моделях на один оборот приходится 2048 или даже 4096 секторов.

Как подключаются энкодеры

Подключить энкодер легко — ведь это фактически датчик с транзисторными выходами. В простейшем случае выход энкодера можно подключить ко входу счетчика, и запрограммировать его на измерение скорости.

Но чаще всего выходные сигналы энкодера обрабатываются в контроллере. А далее путем расчетов можно получить информацию о скорости, направлении вращения, ускорении, положении объекта.

Энкодеры подключают не только к контроллеру. Он также может подключаться к преобразователю частоты, питающему электродвигатель. Таким образом, появляется возможность точного позиционирования, а также поддержания нужной скорости и момента вращения двигателя без использования контроллера.

Монтаж энкодеров

По монтажу сразу скажу главное — вал энкодера должен быть надежно зафиксирован! Бывали случаи, когда из-за проскальзывания самодельных и даже штатных муфт глючили производственные линии, и мы долго не могли найти причину — ведь все остается исправным!

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.

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

Производители энкодеров

Среди российских производителей энкодеров мне известен лишь только Питерский СКБ ИС, который производит энкодеры марки ЛИР. К сожалению, российского промышленного оборудования сейчас почти не производится, и ЛИРы применяются лишь в военном и лабораторном оборудовании.

По этой причине я имею дело только с энкодерами зарубежного производства. Производителей энкодеров много — их производят почти все производители полупроводниковых датчиков. Чаще всего я встречаюсь с энкодерами Autonics — как и в случае с датчиками, в России представлен большой ассортимент. Другие известные мне производители энкодеров — немецкий Sick, японский Omron, и несколько китайских брендов.

Использование тех или иных марок энкодеров обусловлены часто не техническими причинами, поскольку их параметры и надежность практически идентичны. Тут, скорее, политические мотивы — производители комплектующих любыми путями стараются, чтобы их продукция вошла в состав больших производственных линий, чтобы таким образом закрепиться на рынке.

Рассмотрим несколько примеров использования энкодеров в реальном оборудовании.

Измерение скорости полотна

Энкодер на валу

В данном примере, инкрементальный энкодер ELCO используется для измерения скорости бумажного полотна при производстве бумаги. Энкодер закреплен на бумаговедущем валу через муфту, скорость вращения которого однозначно говорит о скорости бумаги.

Минус такой установки — при механической поломке вала (а это бывало уже не раз, изнашиваются подшипники) ломается либо муфта, либо сам энкодер.

При помощи системы «энкодер+контроллер» можно вычислить мгновенную скорость, а также погонную длину произведенной продукции

Положение деталей на конвейере

В этом случае энкодер насажен на вал двигателя, подключенного через преобразователь частоты. Двигатель через редуктор передает движение на конвейер, по которому движутся заготовки деталей.

Энкодер на роторе двигателя

С помощью энкодера и оптических датчиков, фиксирующих просвет между образцами продукции, контроллер с большой точностью может управлять обработкой деталей.

По моему мнению, насаживание энкодера на вал двигателя — не очень хорошая идея в смысле того, что энкодер крутится на больших оборотах (до 3000 об/мин). Кроме повышенного механического износа, необходимо предусмотреть обработку сигналов со сравнительно высокой скоростью. Но сегодня, с развитием промышленной электроники, это не проблема.

Крепление энкодера на валу двигателя позволяет очень точно контролировать скорость привода. С появлением высокооборотистых энкодеров многие производители наладили выпуск двигателей со встроенным энкодером

Перемещение детали

Еще большую точность, чем в предыдущем случае, можно получить, если вал энкодера закрепить на ходовой винт с резьбой.

Направляющая, ходовой винт, кабель к энкодеру (сверху вниз)

Если на ходовой винт закрепить гайку, которая механически скреплена с перемещаемой деталью (в реальном примере это — металлическая заготовка), то с помощью энкодера можно до долей миллиметра узнать ее положение. Точность вычисления будет зависеть от шага резьбы и разрешающей способности энкодера.

Минус такого решения — при большой скорости возможен «промах», и нужно либо уменьшать скорость при приближении к цели, либо постоянно двигаться на низкой скорости.

Перемещение упора

Зубчатая передача

Задача стоит в принципе такая же, как и в предыдущем случае. Но тут другой принцип перемещения — за счет зубчатой передачи.

Плюс данной реализации в том, что энкодер насажен непосредственно на зубчатое колесо, которое осуществляет передачу вращения.

При большом разрешении энкодера и отсутствии механических люфтов можно добиться очень высокой точности позиционирования.

Использование энкодера совместно с винтовой и зубчатой передачей позволяет достичь высокой точности обработки деталей в станках с ЧПУ

Вычисление точной координаты

В производстве полиграфической продукции иногда нужно нанести клей (или краску) в точное место. Когда печатная продукция (например, коробки или конверты) движутся по ленточному конвейеру, при помощи оптического датчика определяется начало, затем контроллер при помощи энкодера вычисляет нужную координату, и включает подачу клея.

Вычисление точной координаты

Формируется клеевая дорожка нужной длины, затем клей выключается. Далее коробка подается на фальцовочный узел, где складывается и склеивается. При этом скорость работы линии может достигать до 300 коробок в минуту.

Системы дозирования

Для точного открытия заслонки в системе дозирования жидкостей служит система, состоящая из двигателя с редуктором, на вал которого с одной стороны закреплена задвижка, с другой — энкодер.

Поворот вала

Поворот вала редуктора на угол не более 180° ограничен датчиками приближения, а точное положение определяется по сигналу от энкодера. В исходном состоянии задвижка закрыта, и датчик минимального положения активен. Это состояние принимается за ноль. Далее включается двигатель, и вал поворачивается. Точный угол поворота пропорционален количеству импульсов от энкодера обратной связи. В данном случае энкодер не делает полный оборот, его движение ограничено датчиками.

Подытожим

Энкодер является самым распространенным «измерительным инструментом» в современном промышленном оборудовании. Точнее (и дороже) его — только сервоприводы.

Источник: Александр Ярошенко, автор блога SamElectric. ru. Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок», №1 (85) 2019

Обзор скорости и положения энкодера двигателя

Что такое энкодер двигателя?

Кодер двигателя – это поворотный энкодер, установленный на электродвигателе, который обеспечивает сигналы обратной связи с замкнутым контуром, отслеживая скорость и/или положение вала двигателя. Доступны различные конфигурации энкодеров двигателя, такие как инкрементальные или абсолютные, оптические или магнитные, с валом или ступицей/полым валом, среди прочих. Тип используемого энкодера двигателя зависит от ряда факторов, в частности от типа двигателя, приложения, требующего обратной связи с обратной связью, и требуемой конфигурации монтажа.

Как выбрать энкодер двигателя

При выборе компонентов для системы управления с замкнутым контуром выбор энкодера двигателя в первую очередь определяется типом двигателя, выбранного в приложении. Наиболее распространенными типами двигателей являются:

Двигатели переменного тока Энкодеры

Асинхронные двигатели переменного тока являются популярным выбором для общих систем управления автоматическими машинами, поскольку они экономичны и прочны. Энкодеры двигателя используются для более точного управления скоростью в приложениях, использующих двигатели переменного тока, и часто должны иметь более надежные параметры IP, ударов и вибрации.

Энкодеры серводвигателей 

Энкодеры серводвигателей (энкодеры двигателей с постоянными магнитами) предлагают системы управления с обратной связью с обратной связью для приложений, требующих более высокой точности и точности, и не такие надежные, как асинхронные двигатели переменного тока. Энкодер двигателя, используемый на серводвигателях, может быть модульным, инкрементным или абсолютным в зависимости от требуемого уровня разрешения и точности.

Энкодеры шаговых двигателей

Шаговые двигатели экономичны, точны и обычно используются в системах без обратной связи. В системах, использующих шаговые двигатели, где требуется управление скоростью, на этот двигатель часто монтируется инкрементный энкодер двигателя, который позволяет системе шагового двигателя обеспечить обратную связь с замкнутым контуром. Энкодеры шаговых двигателей также могут использоваться в некоторых приложениях для улучшения управления шаговыми двигателями за счет обеспечения точной обратной связи о положении вала двигателя по отношению к углу шага.

Энкодеры двигателей постоянного тока

Энкодеры двигателей постоянного тока используются для обратной связи управления скоростью в двигателях постоянного тока, в которых якорь или ротор с намотанными проводами вращается внутри магнитного поля, создаваемого статором. Энкодер двигателя постоянного тока представляет собой механизм для измерения скорости вращения ротора и обеспечения замкнутой обратной связи с приводом для точного управления скоростью.

Варианты монтажа энкодера двигателя

Следующим фактором, влияющим на выбор энкодера двигателя, является вариант монтажа, и наиболее распространенными вариантами являются:

• Энкодеры двигателя с валом: используется метод соединения для соединения вала энкодера двигателя с валом двигателя. Муфта обеспечивает механическую и электрическую изоляцию от вала двигателя, но может увеличить стоимость за счет муфты и большей длины вала, необходимой для установки энкодера двигателя

.

• Энкодеры двигателя со втулкой/полым валом: Энкодеры с полым валом крепятся непосредственно к валу двигателя с помощью подпружиненного троса. Этот метод прост в установке и не требует выравнивания вала, но необходимо соблюдать надлежащие меры для обеспечения электрической изоляции.

Бесподшипниковые энкодеры двигателя

• : Этот вариант монтажа, также известный как кольцевое крепление, состоит из узла датчика в виде кольца, которое устанавливается на лицевой стороне двигателя, и магнитного колеса, которое устанавливается на валу двигателя. Этот тип конфигурации монтажа энкодера двигателя в основном используется в тяжелых условиях, таких как бумага, сталь и краны.

Типы технологии энкодера

Применение, в котором используется энкодер двигателя, определяет технологию энкодера двигателя, которую необходимо использовать. Доступны два основных типа технологий энкодера двигателя:

• Инкрементальные энкодеры: Выход инкрементного энкодера двигателя используется для управления скоростью вала двигателя. Узнайте больше о технологии инкрементного энкодера.
• Абсолютные энкодеры: Выходной сигнал абсолютного энкодера двигателя указывает как движение, так и положение вала двигателя. Абсолютные энкодеры двигателя чаще всего используются в серводвигателях в приложениях, где требуется точность положения. Узнайте больше о технологии абсолютного энкодера

.

Что делает поворотный энкодер для электродвигателей?

Датчики вращения контролируют положение и движение валов электродвигателей – но как они работают?

А какой вам нужен?

Что такое энкодер?

Энкодер — это устройство, используемое для обеспечения обратной связи с системой управления путем определения изменения положения. Датчики вращения работают с электродвигателями для определения вращательного движения, связанного с валом двигателя. В зависимости от типа используемого энкодера они могут предоставлять информацию об изменении положения, абсолютном положении и даже скорости вала.

Энкодеры незаменимы для небольших серводвигателей, которые работают с большой точностью в 3D-принтере. Они так же важны для массивных двигателей, используемых в кранах для подъема тяжелых и громоздких предметов. На самом деле энкодеры можно найти практически в каждой отрасли, от нефтехимической до производства бумаги и целлюлозы.

Как работает энкодер?

Мы уже говорили о том, что энкодер отслеживает положение и скорость вращения вала двигателя. На основе этих данных он генерирует сигнал обратной связи с обратной связью. Затем этот сигнал используется системой управления для принятия решений о параметрах работы двигателя.

Существует несколько различных технологий, которые кодер может использовать для генерации сигналов обратной связи. К ним относятся резистивные, магнитные, механические и оптические. Из них оптический является самым простым для понимания: энкодер обеспечивает обратную связь по скорости и положению на основе прерывания света.

Чтобы понять, как работают энкодеры, мы можем взглянуть на базовый оптический энкодер. Система оптического энкодера состоит из следующих компонентов:

• Кодовый диск , на котором имеется рисунок, представляющий различные положения вала
• Источник света , освещающий кодовый диск
• Блок фотодетекторов , генерирующий сигнал на основе шаблона, полученного с кодового диска направляет его в систему управления движением
• Система управления движением , которая регулирует параметры двигателя на основе обратной связи, полученной от поворотного энкодера

В качестве еще одного более сложного примера рассмотрим магнитный энкодер. В энкодере двигателя с постоянными магнитами этот сигнал обратной связи обеспечивает синхронизацию положений статора и ротора двигателя с током, подаваемым на привод. Ток подается на обмотки, когда магниты ротора находятся в правильном диапазоне положений, чтобы крутящий момент двигателя был максимальным.

Варианты монтажа энкодера

Существует три основных варианта монтажа энкодера: со ступицей/полым валом, с валом и без подшипников. 9Энкодеры 0059 с полым валом крепятся непосредственно к валу с помощью простого подпружиненного троса. Это упрощает их установку, но важно убедиться, что энкодер остается электрически изолированным от самого двигателя.

В опоре энкодера с валом муфта соединяет вал двигателя и вал энкодера. Одним из преимуществ такого подхода является то, что он позволяет энкодеру быть электрически и механически изолированы от двигателя. С другой стороны, муфта и более длинный вал увеличат стоимость.

Типы сигналов энкодера и их применение

Существует два типа сигналов, которые может выдавать энкодер двигателя: инкрементальный и абсолютный. Инкрементальные сигналы указывают на то, что позиция изменилась, но не предоставляют никакой информации о конкретной позиции. Инкрементальные энкодеры часто используются в промышленных приложениях с асинхронным двигателем переменного тока. Они выбираются, когда бюджетные ограничения делают стоимость проблемой или когда требуется только информация об относительном местоположении. 9Однако сигналы 0005

Абсолютные  указывают как на изменение положения, так и на текущее абсолютное положение. Это достигается созданием различных двоичных выходных данных (иногда называемых «словами») для каждой позиции. Абсолютные энкодеры используются, когда требуется высокая степень точности и прецизионности, но они не будут такими надежными, как их инкрементальные аналоги. Кроме того, абсолютные энкодеры часто используются в сервоприводах с бесщеточными двигателями с постоянными магнитами и используются, когда точность и правильность имеют решающее значение.

Заключение

Энкодеры — это мощный инструмент для электродвигателей, но с таким количеством опций, касающихся технологии измерения, абсолютного или относительного положения и вариантов монтажа, поиск подходящего энкодера для ваших приложений может быстро стать проблемой.