Энкодеры

Содержание
Введение…………..………………………..……………………….…..…...… 3
Глава I. Примеры энкодеров различных серий..………………………….… 5
1.1 Инкрементальный энкодер E30S…………………………………...5
1.2 Инкрементальный энкодер с боковым креплением
серии ENA………………………………………………………….….………. 8
1.3 Абсолютный энкодер серии ENP………………………...………. 11
1.4 Инкрементальный энкодер с мерными колесиками
серии ENC………………………………………………………………….… 12
Глава II. Основные характеристики энкодеров………………...…… 15
2.1 Принцип работы абсолютного энкодера………………………… 15
2.2 Плюсы и минусы энкодеров……………………………………… 16
2.3 Датчики линейного перемещения…………………………….….. 19
2.4 Принцип работы инкрементального энкодера………………….. 23
2.5 Проблемы в использовании инкрементального энкодера…...…. 29
Заключение………………………………….………………………..…......... 30
Список литературы…………………………….…………………………….. 31

Введение
Датчиками угла поворота или энкодерами называют устройства, при помощи которых можно определять положение вращающихся валов. Различают инкрементальные (инкрементные) энкодеры и абсолютные энкодеры. Инкрементальные энкодеры имеют импульсные выход, при повороте на определённый угол на выходе генерируется импульс напряжения. На выходе у абсолютных энкодеров генерируется цифровой код уникальный для каждого положения вала. Помимо контроля положения вращающихся валов, при помощи энкодеров можно ещё измерять длину, расстояние (инкрементальный энкодер с мерным колесом), или задавать перемещение инструмента на станке с ЧПУ в ручном режиме (инкрементальный энкодер штурвал).
Принцип работы энкодеров проиллюстрирован на рисунке 1. Оптический энкодер состоит из тонкого оптического диска и стационарного блока – измерительной головки, включающей в себя источник света и фотодетектор. Оптический диск включает поверхность из прозрачных и непрозрачных участков. Маркерами могут быть, например, отверстия в металлическом листе или метки на стеклянном диске. При вращении диска, в зависимости от его типа, маркеры пропускают или перекрывают луч света, направленный от светового источника к фотоприемнику.
Фотодетектор генерирует сигнал частотой, равной частоте следования кодовых элементов, в цифровой форме или аналоговый импульсный сигнал, который также может быть усилен и оцифрован. При добавлении второй пары "светодиод-фототранзистор" с угловым смещением относительно первой, соответствующим четверти периода сигнала, может быть получена вторая последовательность импульсов - канал Б с фазовым смещением относительно канала А на 90°. Инкрементальный энкодер, который использует три оптических датчика, позволяет одновременно удваивать разрешение при измерении положения и скорости и детектировать направление.
Рисунок 1 – Принцип действия энкодера.
Датчики линейного и углового перемещения подключаются к модулям АЦП напрямую. Для питания датчиков можно использовать выход генератора. Разрешение инкрементальных энкодеров измеряется в импульсах за оборот.Глава I. Примеры энкодеров различных серий
1.1 Инкрементальный энкодер E30S
Инкрементальный энкодер с выступающим валом встраиваемый.
Диаметр корпуса 30мм
Диаметр вала 4мм
Питание: 12-24 VDC или 5 VDC
Тип выхода: универсальный, NPN открытый коллектор, выход по напряжению, дифференциальный выход (только 5 VDC)
Разрешение: 100, 200, 360, 500, 1000, 1024,3000 импульса на оборот
Рисунок 2 – Энкодер Серии Е30S.
Характеристики.
Хариктиристики энкодера серии Е30S представлены в таблице 1.
Таблица 1 Технические характеристики Энкодера серии Е30S.
Диаграмма управления выходом.
-Все представленные типы схем выходов имеют одинаковые фазы A, B, Z.
-Комплементарный выход можно использовать для выхода NPN, открытый коллектор (*1) или выход по напряжению (*2).
Подсоединение.
Рисунок 3а, 3б – Подсоединение энкодера серии E30S.
1.2 Инкрементальный энкодер с боковым креплением серии ENA
Рисунок 4 – Инкрементальный энкодер с боковым креплением серии ENA/
Прочная литая конструкция, защищающая от внешних ударов
Монтируется с помощью специальных кронштейнов
Соединительный тип
Источник питания 5В, 12-24В+5%.
Характеристики.
Хариктиристики энкодера серии ЕNA представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Технические характеристики Энкодера серии ЕNA.
Подсоединение.
Рисунок 5а, 5б – Подсоединение энкодера серии ENA.
1.3 Абсолютный энкодер серии ENP
Рисунок 6 – Абсолютный энкодер серии ENP.
-Может измерять абсолютные углы в BCD коде.
-Устойчив к внешним воздействиям.
-Запоминает результаты при отключении питания.
Характеристики.
Хариктиристики энкодера серии ЕNP представлены в таблице 3.
Таблица 3 Технические характеристики Энкодера серии ЕNP.
1.4 Инкрементальный энкодер с мерными колесиками серии ENC
Рисунок 7 – Инкрементальный энкодер с мерными колесиками серии ENC.
-Применяется для измерения скорости или длины объекта с помощью
мерного колеса.
-Выходной сигнал пропорционален единицам международной системы
измерений.
-Источник питания (5В, 12-24В 5%)
Характеристики.
Хариктиристики энкодера серии ЕNС представлены в таблице 4.
Таблица 4 Технические характеристики Энкодера серии ЕNС.
Подсоединение.
Рисунок 8а, 8б – Подсоединение энкодера серии ЕNС.
Глава II. Основные характеристики энкодеров2.1 Принцип работы абсолютного энкодераАбсолютный энкодер относится к типу энкодеров, который выполняет уникальный код для каждой позиции вала. В отличие от инкрементного энкодера, счетчик импульсов не нужен, т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал, как во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера отличается от диска пошагового энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.
Рисунок 9 – Кодовый диск абсолютного энкодера.
Абсолютный энкодер не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию. Сигнал абсолютного энкодера не подвержен помехам и для него не требуется точная установка вала. Кроме того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером, если, например, вал вращается слишком быстро, правильный угол вращения будет зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный энкодер устойчив к вибрациям.
Пусковой ток электродвигателя определяется по формуле:
Iпуск=5Iном (2.1.2),
2.2 Плюсы и минусы энкодеровТип сенсора – одиночный энкодер
Рисунок 10 – Одиночный энкодерПлюсы: дешевизна и простота реализации.
Минусы: Ошибки инициализации (при запуске системы не ясно в каком положении находимся); ошибки при подсчете импульсов на границах - могут быть ложные срабатывания из-за "дребезжания"; невозможность определить направление.
Тип сенсора – сдвоенный (квадратурный энкодер)
Рисунок 11 – Сдвоенный энкодерПлюсы: относительная дешевизна и простота реализации; отсутствие ошибок при подсчете импульсов; возможность определить направление вращения.
Минусы: ошибки инициализации (при запуске системы не ясно в каком положении находимся).
Тип сенсора – энкодер на двоичных кодах.
Рисунок 12 – Энкодер на двоичных кодах
Плюсы: отсутствие ошибок инициализации (при запуске системы ясно в каком положении находимся); отсутствие ошибок при подсчете импульсов – теперь у нас просто нет такой задачи; возможность определить направление вращения.
Минусы: проблемы с граничными положениями - если меняется одновременно более 1 бита, тогда мы можем временно получить некорректное положение. Скажем при смене с положения 001 на 010 может временно быть положение 000 или 011, что принципиально не верно; относительная дороговизна и сложность реализации; дополнительные ограничения в разрешающей способности, чем выше точность, тем больше надо каналов.
Тип сенсора – энкодер на кодах Грэя.
Рисунок 13 – Энкодер на кодах Грэя
Плюсы: Отсутствие ошибок инициализации (при запуске системы ясно в каком положении находимся); отсутствие ошибок при подсчете импульсов на границах, "дребезжание" легко определяется по направлению; возможность определить направление вращения; нет проблемы с граничными положениями - меняется одновременно не более 1 бита.
Минусы - Относительная дороговизна и сложность реализации; дополнительные ограничения в разрешающей способности, чем выше точность, тем больше надо каналов.
2.3 Датчики линейного перемещения
Рассмотрим датчики линейных перемещений. По принципу действия датчики перемещения могут быть: ёмкостными, оптическими, индуктивными, вихретоковыми, ультразвуковыми, магниторезистивными, потенциометрическими, магнитострикционными, на основе эффекта Холла.Преобразователи линейных перемещений предназначены для информационной связи по положению между по зиционируемым объектом и устройством числового программного управления (УЧПУ) или устройством цифровой индикации (УЦИ), а также для измерения и контроля перемещений, размеров, биений, расположения и профиля поверхностей, деформаций технологических объектов. К этому классу преобразователей принадлежат оптоэлектронные растровые преобразователи "РФ256" фирмы РИФТЭК. Особенность линейных оптоэлектронных растровых преобразователей перемещения заключается в использовании в качестве меры длины линейной шкалы, являющейся носителем регулярного и кодового растров. Возможность нанесения штрихов растров с субмикронной точностью на материалы с заданным коэффициентом линейного расширения, а также стабильность их геометрического положения позволяют проводить измерения с точностью 1 мкм и выше.
Высокая степень защищенности конструктивного исполнения преобразователей, а также их высокая устойчивость к внешним воздействиям обеспечили растровым преобразователям широкий спектр областей промышленного и научного применения.
Принцип действия преобразователей линейных перемещений.
В основу работы преобразователей перемещения положен метод оптоэлектронного сканирования штриховых растров. Преобразователь содержит растровую шкалу 1, плату фотоприёмников 2, растровый анализатор 3, плату осветителей 4. При относительном перемещении шкалы 1 и анализатора 3 сопряжения регулярного растра шкалы с растрами анализатора модулируют проходящий через них потоки излучения, воспринимаемые соответствующими фотоприемниками. Растровая шкала содержит две параллельные информационные дорожки: регулярного растра и референтных меток.
Рисунок 14 – Оптоэлектронный преобразователь линейных перемещений
Растровый анализатор содержит 4 окна А, А, В, В инкрементного считывания и окно референтной метки Б. Названные выше 4 окна позиционно согласованы с дорожкой регулярного растра шкалы. Шаги растров в окнах равны шагам регулярного растра шкалы (20 мкм или 40 мкм). При этом в каждой паре окон растры смещены друг относительно друга на величину, равную половине их шага, а взаимный пространственный сдвиг растров между парами окон составляет четверть шага растров. Последовательно с растровыми окнами расположено прозрачное окно Г. Референтная метка Б позиционно согласована с дорожкой референтных меток шкалы.
Рисунок 15 – Растровый анализатор
Считывающий узел (считывающая головка) преобразователя перемещений решает задачу реализации оптических растровых и кодовых сопряжений, информативно соответствующих величине линейного перемещения, а также задачу считывания, обработки и анализа текущих значений оптически информативных параметров указанных сопряжений.
Конструктивно первую задачу решает каретка, жестко связанная с анализатором, находящаяся через подшипники качения в постоянном контакте со шкалой,что делает возможным относительное перемещение шкалы и анализатора. Вторую задачу реализуют платы фотоприемников 2 и осветителей 4, установленные на ту же каретку, и плата электрической схемы выделения и обработки информации о перемещении, расположенная в корпусе считывающей головки. Плата осветителей содержит шесть излучающих диодов, обеспечивающих засветку соответствующих окон анализатора, и пространственно согласованных с ними приемных площадок шести фотодиодов платы 2.
Существуют инкрементные и абсолютные датчики. По сравнению с инкрементными датчиками абсолютные датчики обладают рядом преимуществ: абсолютное положение измерительного наконечника определяется немедленно после включения питания и исключает необходимость поиска референтной метки; исключена вероятность накопления или потери счетных импульсов при ударах, вибрациях и реверсе.
Рассмотрим оптоэлектронный преобразователь линейных перемещений на примере датчика «РФ256» фирмы РИФТЭК.
Датчик имеет 5 диапазонов контроля: 3, 15, 25, 35, 55 (мм). Погрешность измерения ±1 мкм. Дискретность отсчёта: 0,1; 0,5; 1; 5; 10 (мкм). И предназначен для:
А) Измерения размеров объекта.
Б) Толщины.
В) Перемещения объекта.
Г) Биения.
Д) отклонения от плоскости.
Е) Деформации поверхности.
Рисунок 16 – Датчик РФ 256
Примеры использования датчика РФ 256:
Рисунок 17 – Примеры использования датчика РФ 256
2.4 Принцип работы инкрементального энкодераИнкрементальные энкодеры применяются на серводвигателях в качестве устройства обратной связи для определения положения и направления вращения вала. Кроме того контроллеры двигателей могут использовать данные от энкодеров для расчета скорости и ее контроля. Инкрементальный энкодер является критическим компонентом, который передает важные данные необходимые для автоматического управления различными системами движения от автономных транспортных средств до торговых автоматов.
Двухканальный инкрементальный энкодер на выходе имеет два сигнала, которые обычно обозначаются как канал А и канал В. Данные сигналы называются квадратурными, потому что между ними существует смещение фазы в 90 градусов (см. рис.18)
Рисунок 18 – Двухканальный инкрементальный энкодерРазработчики могут использовать эту разницу фаз для определения направления вращения. В случае вращения в одном направлении сигнал в канале А изменяется от низкого уровня к высокому раньше чем в канале В, то есть канал А ведет канал В. При вращении в противоположном направлении канал В ведет канал А. Направление вращения серводвигателя определяется при помощи датчиков установленных на валу двигателя (см. рис.19 ниже). 
Рисунок 19 – Использование сигналов каналов А и В для определения вращения
Сигналы каналов А и В также используются для определения положения ротора. При регистрации квадратурного сигнала выполняется подсчет переходов сигнала от низкого уровня к высокому и от высокого к низкому, в обоих каналах. Такой подсчет дает четыре отсчета для каждого цикла сигнала. Таким образом, по количеству отсчетов на оборот, можно определить положение вала с точностью большей, чем базовое разрешение энкодера, который определяет положение по количеству отсчетов на один оборот (которое иногда называют количеством линий на оборот - в случае оптического энкодера), см. рис. 20 ниже.
Рисунок 20 – Оптический энкодерТрехканальный инкрементальный энкодер состоит из каналов А и В, и дополнительного опорного канала, обозначаемого как индекс. Индексный канал генерирует один отсчет на оборот при прохождении вала определенного положения. Импульс индексного канала может быть стробированным или не стробированным. Фронты не стробированного импульса индексного канала не совпадают с фронтами импульсов в каналах А и В. Фронты стробированного импульса индексного канала будут совпадать с высоким или низким уровнем в одном или обоих каналах А и В. Обычно используют стробированный канал индекс, который совпадает с сигналом в каналах А и В. См. рис. 21.
Рисунок 21 - Трехканальный инкрементальный энкодерИндексный сигнал обычно используется для определения центрального положения, исходного положения точки обнуления или нулевой отметки. Он часто используется в сочетании с некоторым типом датчика приближения, который обеспечивает определение приближения к начальному положению. Все три выхода энкодера: А, В и индекс могут быть как с несимметричными, так и с симметричными выходами. Несимметричный выход сравнивается с сигналом земля (GND) источника питания энкодера. Подобный энкодер требует только одного провода для каждого канала плюс два провода к источнику питания (показаны на рис. 22). Несимметричные выходы энкодера, как правило, TTL совместимы, для их подключения желательно использовать как можно более короткие проводники, чтобы минимизировать ухудшение сигнала и проблемы с электрическими помехами. Энкодер с одним несимметричным выходом может быть экономичным решением для ОЕМ производителей.
Выходы дифференциальной линии драйвера более невосприимчивы к электрическим помехам, чем сигналы несимметричных линий, потому дифференциальные линии могут быть большей длины. Эти выходы являются комплементарными сигнальными парами, когда сигнал имеет высокий уровень, а другой низкий, как это показано на рисунке 23. Каждый дифференциальный выход требует двух проводов; обычно используют витые пары для увеличения помехоустойчивости. Драйверы дифференциальной линии имеют низкий импеданс, что делает устойчивыми к помехам. Они должны быть подключены к высокоимпедансными дифференциальным приемникам для подавления синфазного шума. Комплементарные выходы обрабатываются приемниками дифференциальной линии, таким образом, чтобы требуемый сигнал мог быть восстановлен без шумов и искажений, как это показано на рис. 24. Эти преимущества связаны с дополнительными затратами для схем дифференциальных драйверов линий и дополнительных сигнальных линий.
Рисунок 22 - Схема подключения трехканального энкодера с несимметричным выходом
Выходы дайвера дифференциальных линий, как правило, более устойчивы в отношении электрических помех в сравнении с однопроводными линиями. Эти выходы являются комплементарными, потому, когда сигнал в одной линии высокого уровня, в другой линии он низкого уровня, как это показано на рис. 23. Каждая дифференциальная пара состоит из двух проводов; обычно витые пары используются для повышения помехоустойчивости сигнальных линий. Дифференциальные линейные драйверы имеют низкий импеданс, что делает устойчивыми к помехам. Они должны быть подключены к высокоимпедансными дифференциальным приемникам для подавления синфазного шума. Комплементарные выходы обрабатываются приемником дифференциальной линии таким образом, чтобы необходимый сигнал мог быть восстановлен без шумов и искажений, как это показано на рис. 24. Такие преимущества увеличивают цену решения, в связи с высокой стоимостью дифференциальных линейных драйверов и дополнительных сигнальных линий.
Рисунок 23 – Временная диаграмма драйвера дифференциальной линии энкодера
Рисунок 24 – Обработка дифференциального сигнала линейным драйвером
2.5 Проблемы в использовании инкрементального энкодераРассмотрим проблемы в использовании инкрементальных энкодерах:
1. Обычно, все пытаются работать с ними через прерывания INT, но этот метод так себе. Проблема тут в дребезге — механические контакты, особенно после длительного пользования, начинают давать сбои и ложные импульсы в момент переключения. А прерывание на эти ложные импульсы все равно сработает и посчитает что нибудь не то;
2. Из-за наличия нескольких датчиков аппарат несколько сложнее;
3. Возникновение проблем с граничным положением в случае использования более одного бита;
4. разрешающая способность несколько ограничена;
5. относительно сложны в использовании.
Заключение
Энкодеры к настоящему времени нашли весьма широкое применение во многих отраслях промышленности. В частности, абсолютные и относительные (инкрементальные) энкодеры используются в качестве элементов приводов в бумаго- и картоноделательных машинах, упаковочных агрегатах, лесозаготовительных машинах и деревообрабатывающих станках (центрах), различных продольно- и поперечнорезательных машинах, прокатных станах, приводах лифтов и подъемных кранов, а также суппортах токарных станков и координатных столов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
www.zetms.ru;
www.megasensor.com;
www.autonics-ru;
4) www.servotechnica.ru.