Энкодер

Энкодеры. Устройство и принцип работы

Энкодер / преобразователь угловых перемещений — устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота.

Широко применяются в промышленности.

Энкодеры подразделяются на инкрементальные и абсолютные, которые могут достигать очень высокого разрешения.

Инкрементальный энкодер выдает за один оборот определенное количество импульсов. А абсолютные энкодеры позволяют в любой момент времени знать текущий угол поворота оси, в том числе и после пропадания и восстановления питания. А многооборотные абсолютные энкодеры, кроме того, также подсчитывают и запоминают количество полных оборотов оси.

Энкодеры могут быть как оптические, резисторные, так и магнитные и могут работать через шинные интерфейсы или промышленную сеть.

Преобразователи угол-код практически полностью вытеснили применение сельсинов.

Инкрементальные энкодеры

Инкрементальные энкодеры предназначены для определения угла поворота вращающихся объектов. Они генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют посредством подсчёта импульсов от старта. Для вычисления угловой скорости объекта процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга (парафазные импульсы), что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

Абсолютные энкодеры

Абсолютные энкодеры, как оптические, так и магнитные имеют своей основной рабочей характеристикой число шагов, то есть уникальных кодов на оборот и количество таких оборотов, при этом не требуется первичной установки и инициализации датчика. Поэтому абсолютные энкодеры не теряют свою позицию при исчезновении напряжения.

Наиболее распространённые типы выходов сигнала — это код Грея, параллельный код, интерфейсы Profibus-DP, CANopen, DeviceNet, SSI, LWL, через которые также осуществляется программирование датчиков.

Абсолютный 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.

Рис. 1. 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.

Двоичный код

Двоичный код — это широкораспространенный код, который может обрабатываться непосредственно микропроцессором и является основным кодом для обработки цифровых сигналов. Двоичный код состоит только из 0 и 1.

Построение ДК осуществляется по следующему принципу:

Таким образом выглядит в данном случае число 10 в двоичном коде.

Наибольшее число, которое может быть выражено двоичным кодом, зависит от количества используемых разрядов, т.е. от количества битов в комбинации, выражающей число. Например, для выражения числовых значений от 0 до 7 достаточно иметь 3-разрядный или 3-битовый код:

числовое значение двоичный код
0 000
1 001
2 010
3 011
4 100
5 101
6 110
7 111

Отсюда видно, что для числа больше 7 при 3-разрядном коде уже нет кодовых комбинаций из 0 и 1. Переходя от чисел к физическим величинам сформулируем вышеприведенное утверждение в более общем виде: наибольшее количество значений m какой-либо величины (угла поворота, напряжения, тока и др.), которое может быть выражено двоичным кодом, зависит от числа используемых разрядов n как m =2 n . Если n =3, как в рассмотренном примере, то получим 8 значений, включая ведущий 0. Двоичный код является многошаговым кодом. Это означает, что при переходе с одного положения (значения) в другое могут изменяться несколько бит одновременно. Например, число 3 в двоичном коде = 011. Число же 4 в двоичном коде = 100. Соответственно, при переходе от 3 к 4 меняют свое состояние на противоположное все 3 бита одновременно. Считывание такого кода с кодового диска привело бы к тому, что из-за неизбежных отклонений (толеранцев) при производстве кодового диска изменение информации от каждой из дорожек в отдельности никогда не произойдет одновременно. Это, в свою очередь, привело бы к тому, что при переходе от одного числа к другому кратковременно будет выдана неверная информация. Так при вышеупомянутом переходе от числа 3 к числу 4 очень вероятна кратковременная выдача числа 7, когда, например, старший бит во время перехода поменял свое значение немного раньше чем остальные. Таким образом, использование обычного двоичного кода может привести к большим погрешностям, так как две соседние кодовые комбинации могут отличаться друг от друга не в одном, а в нескольких разрядах. Чтобы избежать этого применяется так называемый одношаговый код, например, так называемый Грей-код.

Код Грея

Код Грея предпочтительнее обычного двоичного тем, что обладает свойством непрерывности бинарной комбинации: изменение кодируемого числа на единицу соответствует изменению кодовой комбинации только в одном разряде. Он строится на базе двоичного по следующему правилу: старший разряд остается без изменения; каждый последующий разряд инвертируется, если предыдущий разряд исходного двоичного кода равен единице. Этот алгоритм построения может быть формально представлен как результат сложения по модулю два исходной комбинации двоичного кода с такой же комбинацией, но сдвинутой на один разряд вправо. При этом крайний правый разряд сдвинутой комбинации отбрасывается.

Таким образом, Грей-код является так называемым одношаговым кодом, т.к. при переходе от одного числа к другому всегда меняется лишь какой-то один бит. Погрешность при считывании информации с механического кодового диска при переходе от одного числа к другому приведет лишь к тому, что переход от одного положения к другом будет лишь несколько смещен по времени, однако выдача совершенно неверного значения углового положения при переходе от одного положения к другому полностью исключается. Преимуществом Грей-кода является также его способность зеркального отображения информации. Так, инвертируя старший бит можно простым образом менять направление счета и, таким образом, подбирать к фактическому (физическому) направлению вращения оси. Изменение направления счета может легко изменяться, управляя так называемым входом » Complement «. Выдаваемое значение может быть возврастающим или спадающим при одном и том же физическом направлении вращения оси.

Поскольку информация, выраженная в Грей-коде, имеет чисто кодированный характер не несущей реальной числовой информации, должен он перед дальнейшей обработкой сперва преобразован в стандартный бинарный код. Осуществляется это при помощи преобразователя кода (декодера Грей-Бинар), который к счастью легко реализируется с помощью цепи из логических элементов «исключающее или» ( XOR ) как программным, так и аппаратным способом (см. схему ниже).

Из таблицы видно, что при переходе от одного числа к другому (соседнему) лишь один бит информации меняет свое состояние, если число представлено кодом Грея, в то время, как в двоичном коде могут поменять свое состояние несколько бит одновременно. Код Грея — выход, следовательно, он никогда не имеет ошибку чтения и применяется во многих абсолютных энкодерах.

Биты меняющие свое состояние, при переходе от одного числа к другому, обозначены красным цветом.

Используйте такую схему для преобразования Кода Грея в двоичный код.

Рис. 2. Схема для преобразования Кода Грея в двоичный код

Примечание:
*Код Грея может логически преобразовываться в двоичный код когда терминал Vin подключается к 0 V.
**Инвертор
***Исключающее или

Обычный одношаговый Грей-код подходит для разрешений, которые могут быть представлены в виде числа возведенного в степень 2. В случаях, где надо реализовать другие разрешения из обычного Грей-кода, вырезается и используется средний его участок. Таким образом, сохраняется «одношаговость» кода. Однако числовой диапазон начинается не с нуля, а смещяется на определенное значение. При обработке информации от генерируемого сигнала отнимается половина разницы между первоначальным и редуцированным разрешением. Такие разрешения как, например, 360° для выражения угла часто реализируются этим методом. Так 9-ти битный Грей-код равный 512 шагов, урезанный с обеих сторон на 76 шагов будет равен 360°.

Измерительная система абсолютного энкодера состоит из поворотной оси, монтированной на двух высокопрецизионных подшипниках, кодового диска, установленного на ось, а также опто-электронной считывающей матрицы и схемы обработки сигнала. В качестве источника света служит светодиод, инфракрасные лучи которого просвечивают кодовый диск и попадают на фототранзисторную матрицу, расположенную с обратной стороны кодового диска. При каждом шаге углового положения кодового диска темные участки кода предотвращают попадание света на те или иные фототранзисторы фототранзисторной матрицы. Таким образом, темные — светлые участки каждой из дорожек будут отображены на фототранзисторной матрице и преобразованы в электрические сигналы. Электрические сигналы, в свою очередь, подготавливаются операционными усилителями и выходными трайберами для выдачи в виде n -бит бинарного сигнала. Изменения интенсивности источника светового потока регистрируются с помощью дополнительного сенсора и компенсируются электронной схемой.

Однооборотный энкодер

Однооборотными ( Single — Turn ) датчиками называются датчики, которые выдают абсолютное значения в пределах одного оборота, т.е. в радиусе 360°. После одного оборота код является полностью пройденым и начинается опять с его начального значения. Эти датчики служат, преимущественно, для измерения угла поворота и применяются, например, в антенных системах, эксцентричных коленчатых пресах и т.д.

Рис. 1. Устройство однооборотного энкодера

Многооборотный энкодер

Линейные перемещения предполагают необходимым применение измерительной системы с n -количеством оборотов. Например, при линейных приводах или при задачах измерения с помощью зубчатой измерительной штанги, применение однооборотных датчиков является неприемлемым. В этом случае приходят на помощь датчики, где дополнительно к измерению угла поворота в пределах одного оборота также происходит регистрация количества оборотов с помощью дополнительно встроенного передаточного механизма, т.е. своего рода редуктора из нескольких кодовых оптических дисков, образуя, таким образом, многооборотный энкодер ( Multi — Turn ).

Рис. 2. Устройство многооборотного энкодера

Оптические энкодеры

Оптические энкодеры имеют жёстко и закреплённый соосно валу стеклянный диск с прецизионной оптической шкалой. При вращении объекта оптопара считывает информацию, а электроника преобразовывает её в последовательность дискретных электрических импульсов. Абсолютные оптические энкодеры — это датчики угла поворота, где каждому положению вала соответствует уникальный цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические энкодеры, так же как и инкрементальные энкодеры, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска.

Магнитные энкодеры

Магнитные энкодеры с высокой точностью регистрируют прохождение магнитных полюсов вращающегося магнитного элемента непосредственно вблизи чувствительного элемента, преобразуя эти данные в соответствующий цифровой код.

Механические и оптические энкодеры с последовательным выходом

Содержат диск из диэлектрика или стекла с нанесёнными выпуклыми, проводящими или непрозрачными участками. Считывание абсолютного угла поворота диска производится линейкой переключателей или контактов в случае механической схемы и линейкой оптронов в случае оптической. Выходные сигналы представляют собой код Грея, позволяющий избавиться от неоднозначности интерпретации сигнала.

Крепление

Представленные датчики соединяются с вращающимся объектом посредством нормального или полого вала, последний может быть как сквозным, так и несквозным (тупиковым). Вал вращающегося объекта и вал энкодера соединяют механически при помощи гибкой или жёсткой соединительной муфты. В качестве альтернативы энкодер монтируют непосредственно на вал объекта, если энкодер имеет полый вал. В первом случае вероятная несоосность и допустимые биения компенсируются деформацией гибкой втулки. Во втором возможна фиксация энкодера посредством штифта.

Инкрементальные энкодеры

Инкрементальный энкодер (Incremental Encoder) регистрирует относительное перемещение (приращение). Разрешение (Resolution) углового энкодера определяется количеством импульсов на один оборот (на рисунке изображён оптический дик с разрешением 8 имп/об).

Частота импульсов на выходе энкодера пропорциональна скорости вращения.

Система управления должна подсчитывать импульсы, чтобы вычислить угол поворота энкодера относительно точки отсчёта.

В системах, работающих с абсолютными координатами (станок с ЧПУ), перед началом работы (после включения питания) необходимо выставить ноль – вывести рабочий орган машины в опорную (реперную) точку и в ней обнулить счётчик импульсов.

Синусно-косинусные инкрементальные датчики положения sin/cos 1-Vss и 1-Vpp

Синусоидальные выходные сигналы А и В сдвинуты друг относительно друга на 90 градусов, что позволяет определять направление вращения. Сигнал нулевой метки R используется для синхронизации с точкой отсчёта. Для повышения помехозащищённости датчик выдаёт ещё три инверсных сигнала: A, B, R. Оцифровываются эти сигналы в системе измерения.

Датчики с интерфейсом 1-Vpp используются в сервосистемах, т.к. как позволяют получать очень высокое разрешение. Так, например, если датчик выдаёт 2048 периодов синусоиды (импульсов) на оборот, а система управления в каждой такой синусоиде различает 2048 дискретных уровней, то общее разрешение датчика составит 2048 х 2048 = 4194304 импульсов на оборот.

Инкрементальные датчики с интерфейсом TTL или HTL

Эти датчики сами оцифровывают синусоидальные сигналы – у них на выходе 6 прямоугольных сигналов — три прямых: A, B, R и три инверсных: A, B, R. Для сигнализации неисправности датчика используется инверсный сигнал помехи (если нет неисправности, то сигнал помехи равен 1).

Абсолютные энкодеры

Разрешение абсолютного энкодера (Absolute Encoder) определяется количеством уникальных кодов на один оборот. Однооборотные (Single-turn) абсолютные энкодеры определяют положение в пределах одного оборота, многооборотные (Multi-turn) – в пределах определённого числа оборотов.

Абсолютные датчики положения не требуют для начала работы выхода в опорную точку – при включении питания датчик сразу определяет координату, сканируя кодовые дорожки.

Резольверы

Резольвер (Resolver) – это аналоговый электромагнитный абсолютный однооборотный датчик, работающий по принципу вращающегося электрического трансформатора.

Рассмотрим работу бесщёточного резольвера.
На статоре расположены три обмотки: первичная обмотка возбуждения вращающегося трансформатора (на неё подаётся переменное напряжение) и две двухфазные обмотки, механически повёрнутые друг относительно друга на 90 градусов: синусная и косинусная. На роторе расположена вторичная обмотка вращающегося трансформатора, которая возбуждается от первичной обмотки на статоре за счёт электромагнитной индукции. Обмотка ротора в свою очередь индуцирует в синусной обмотке статора напряжение пропорциональное синусу угла поворота ротора, а в косинусной обмотке — напряжение пропорциональное косинусу угла поворота ротора.

Резольверы отличаются высокой надёжностью (они не бьются и не запотевают, как оптические) и точностью (аналоговые, а не дискретные).

Код Грея

Код Грея (Gray Code) – это двоичный код, в котором два соседних значения отличаются только одним разрядом.

Десятичное
число
Двоичное
число
Код Грея
0 000 000
1 001 001
2 010 011
3 011 010
4 100 110
5 101 111
6 110 101
7 111 100

Формула побитного преобразования двоичного кода в код Грея

Gi = Bi⊕Bi+1,
биты нумеруются справа налево, ⊕ – исключающее ИЛИ (если биты равны, то результат равен 0; если биты не равны, то результат равен 1).

Код Грея используется для кодирования положений в абсолютных датчиках, так как обладает большей помехозащищённостью, чем обычное двоичное кодирование (Natural Binary).

На рисунке изображён оптический диск с 3-х разрядным (8 положений) кодом Грея.

Тахогенераторы

Тахогенераторы предназначены для определения скорости и направления вращения. Напряжение на выходе тахогенератора пропорционально скорости вращения вала.

Особенности применения датчиков угловых перемещений на производстве

В данной статье будут затронуты вопросы применения энкодеров в современных системах АСУ ТП и некоторые аспекты культуры их производства, а также будут даны рекомендации по их эксплуатации.

Где используются датчики угловых перемещений

Энкодеры имеют довольно широкое применение.

Абсолютные и инкрементные энкодеры широко используются в металлургии, производстве бумаги, деревообработке, разнообразных линиях упаковки, станкостроении, энергетике и др.

Энкодеры устанавливаются на приводы прокатных станов, бумагоделательных и картонноделательных машин, а также пресспатов; на приводы координатных столов, продольно-резательных и поперечно-резательных (рубительных) машин, электрических задвижек, кранов, упаковочных агрегатов, лифтов, устройств выбора якоря на судах; на приводах суппортов и подачи токарных станков, в современных системах автоматического складирования, лесозаготовительных машинах и деревообрабатывающих станках, в системах ЧПУ и др.

Принцип действия энкодеров

Датчики угловых перемещений служат для измерения основных кинематических параметров работы электропривода: скорости и положения вала.

В подавляющем большинстве современных систем регулируемого привода, позиционирования и контроля углового положения используются инкрементные и абсолютные энкодеры. Определенный рынок, в связи с некоторыми техническими особенностями остается за резольверами (в частности, из-за их толерантности к высоким и низким температурам: от –50оС и до +150оС).

Принцип работы фотоимпульсных энкодеров – цифровой. Свет проходит от группы светодиодов к группе фотодиодов через прозрачный диск с нанесенными метками. Абсолютный энкодер имеет уникальную комбинацию меток для каждого углового положения, инкрементный – более прост: одинаковые метки равномерно распределены по всему радиусу диска.

Обычно энкодер имеет также т.н. «нулевую метку», одну – на полный оборот диска. Эта метка имеет калибровочную функцию и не всегда требуется для простых задач измерения скорости. При вращении диска, механически связанного с приводным валом, каждое прохождение метки через светодиодную пару генерирует импульс. Эти импульсы в дальнейшем обрабатываются с помощью электронных устройств (программируемых логических контроллеров, преобразователей постоянного и переменного тока для электродвигателей, счетчиков).

Абсолютные энкодеры иногда имеют встроенный редуктор, который позволяет датчику не только определять точное значение углового перемещения в пределах одного оборота вала, но и отсчитывать количество оборотов вала (обычно с дискретностью 12 бит, т.е. 4096 оборотов вала). Данные абсолютные энкодеры, которые называются «абсолютными многооборотными», часто используются в прецизионных червячных приводах подачи.

Основным же преимуществом абсолютного энкодера над инкрементным является функция сохранения текущего значения углового перемещения вне зависимости от того подано питание на датчик или нет.

Питание датчиков в основном осуществляется постоянным током 5В или 24В.

Функциональными особенностями инкрементных и абсолютных энкодеров обусловлено различие между ними в цене. Из-за более сложной технологии нанесения меток на диск, а также из-за необходимости передавать большее количество данных (с соответствующим усложнением электроники) стоимость среднего абсолютного энкодера в 1,4-2 раза превышает стоимость инкрементного аналога.

Нельзя также не упомянуть широкую сферу применения энкодеров в современном сервоприводе. Но сервопривод является совершенно особым устройством, заслуживающим отдельной статьи. Отметим лишь, что в основном в сервоприводах крупнейших производителей используются абсолютные однооборотные энкодеры с разрешением 17 бит (131072 положения на оборот).

Основные параметры, необходимые для выбора датчиков угловых перемещений

  • Количество импульсов на оборот (обычно от 1 до 5000), количествово бит для абсолютных энкодеров (обычно 10, 12, 13, 25).
  • Вал или отверстие под вал (укажите также диаметр вала или отверстия).
  • Тип выходного сигнала (HTL, TTL, RS422, двоичный код и код Грея, SSI, Profibus DP, CAN…).
  • Напряжение питания.
  • Длина кабеля/ тип разъема.
  • Дополнительные требования по крепежу (необходимость муфты, монтажного фланца, крепежной штанги и др.).

Требования к установке энкодеров и рекомендации по их эксплуатации

Необходимость точной центровки при установке датчиков – главное требование для обеспечения долговременной их службы. Исполнение энкодера с валом предусматривает установку прецизионной муфты, которая должна демпфировать три параметра: угловое отклонение, осевое биение и несоосность валов при установке. Жесткое соединение валов обычно не допускается, т.к. может привести к существенному сокращению срока службы, из-за износа подшипников. Энкодер с валом должен крепиться к специально изготовленному фланцу.

Исполнение датчика с полым ротором исключает использование муфты и фланца. Энкодер монтируется прямо на нерабочий конец вала двигателя и закрепляется от проворота за валом с помощью крепежной штанги, которая дает энкодеру необходимую подвижность для компенсации углового отклонения.

Нужно отметить, что из соображений удобства установки сейчас все большее распространение получают энкодеры с полым валом.

Срок службы хорошего современного датчика при правильной установке и подключении, а также средней скорости вращения приводного вала 1500 об/мин, – должен составлять не менее 50000 часов, т.е. почти 6 лет. Установка энкодера не в соответствии с требованиями производителя может привести к значительному сокращению службы датчика из-за износа подшипников. Любые другие воздействия, выходящие за рамки спецификации, как, например, удары по корпусу, сильная вибрация, перегрев/переохлаждение, также могут повлиять на срок службы энкодера.

Основы АСУ ТП и КИП — в статьях Ua.Automation.com

Даррен Крейт (Darran Kreit), Zettlex, для Automation.com

Большинство инженеров при решении задач определения положения по-прежнему используют инкрементальные датчики положения. Отчасти это происходит из-за преобладающего убеждения в том, что абсолютные датчики положения слишком сложны и дорогостоящи. В данной статье описываются оба подхода и относительные преимущества каждого из них.

Понимание разницы между инкрементальными и абсолютными техниками измерения, порой, оказывается нетривиальной задачей. Помимо необходимости разбираться в терминологии, связанной с определением положения, инженерам приходится иметь дело с порой противоречивыми заявлениями от производителей, которые, нет-нет, да и заявят, что тот или иной продукт является абсолютным датчиком положения – хотя, на самом деле, он инкрементальный.

В этой статье мы используем термин «датчик» как собирательный для энкодеров, преобразователей и детекторов.

Определения: инкрементальный и абсолютный

Основной особенностью инкрементального датчика положения является то, что он сообщает о величине изменения положения. Другими словами, после того, как на датчик подается питание, он не сможет сообщить о положении до тех пор, пока ему не дадут точку отсчета.

Абсолютный датчик положения генерирует однозначную информацию о своем положении, с помощью специальной шкалы. Когда на датчик подается питание, он сообщит о своем положении, и ему для этого не нужна точка отсчета. «Что произойдет при подаче напряжения?» — ответ на это вопрос является хорошим тестом для различения двух типов датчиков. Если датчику нужна какая-то калибровка – это инкрементальный датчик. Если нет – это абсолютный датчик.

Некоторые производители датчиков заявляют об «абсолютном» функционале своих продуктов, на том основании, что аккумуляторная батарея позволяет хранить информацию о положении, когда питание инкрементального датчика отключается или пропадает. Но, что произойдет, когда батарея будет разряжена?

Другие производители заявляют об «абсолютном» функционале своих инкрементальных датчиков, потому, что им надо совсем немного энергии, для того, чтобы получить точку отсчета. Все равно, это – инкрементальные датчики, хотя их и продают как абсолютные – с соответствующими ценами.

Потенциометры: проблемы износа и надежности

Хотя основанные на потенциометрах датчики положения все еще являются самым обыкновенным их типом, за последние 30 лет значительное распространение получили бесконтактные датчики. Этот тренд порожден проблемами, связанными с износом и надежностью потенциометров – особенно в жестких условиях (прежде всего связанных с вибрацией) или при долгих сроках службы.

Почти все потенциометры являются абсолютными, однако обычной формой бесконтактных датчиков являются оптические энкодеры. Их принцип работы основан на использовании луча света, направленного сквозь или на специальную решетку. Положение вычисляется исходя из интенсивности отраженного или преломленного света. Большинство оптических устройств являются инкрементальными. Положение определяется с помощью серии так называемых А/В импульсов. Также есть канал Z, дающий один импульс на оборот, в качестве референса.

Абсолютные оптические устройства схожи, но используют другой тип шкалы, где абсолютная позиция определяется при подключении питания – без необходимости в точке отсчета. Как правило, у этих датчиков цифровой выход, и разрешение определяется количеством битов в выходном сигнале. 10-битные устройства могут предоставить 1024 отсчета, 11-битные – 2048 отсчетов и т.д.

Сейчас продается в три раза больше инкрементальных датчиков, чем абсолютных. Основная причина – инкрементальные датчики, как правило, дешевле абсолютных, при сравнимых характеристиках.

Однако, сегодня абсолютные датчики не так дороги, как многие продолжают считать. Переход к (бесконтактным) абсолютным изменениям положения может существенно улучшить производительность, повысить точность и снизить общие расходы. Это связано с тем, что с инкрементальными датчиками связан ряд технических проблем.

Самая очевидная заключается в том, что каждый раз при отключении питания понадобится калибровка – это замедляет производственные процессы, а также может иметь последствия, связанные с безопасностью, если питание пропало неожиданно.

Во-вторых, положение определяется с помощью точки отсчета. В некоторых случаях особенно при изменении напряжения или быстрых изменениях положения – могут произойти нарушения в процессе отсчета. Это может иметь разрушительное воздействие на производственный процесс, причем, это будет обнаружено не сразу (например, рассинхронизация производственных операций). Большинство инкрементальных датчиков являются оптическими, и для получения данных с большим разрешением, характеристики оптических элементов, прежде всего, решетки, должны быть очень высоки: ее период должен измеряться буквально в пределах микронов. Хотя это повышает чувствительность, однако, означает и повышенную уязвимость к внешним факторам – влага, жир, грязь могут остановить работу, или, что хуже, сделать показания неверными.

Разница в цене между абсолютными и инкрементальными датчиками сокращается, частично из-за постепенного распространения абсолютных датчиков, и, главное – из-за внедрения новых технологий для абсолютных датчиков. Конечно, оптические датчики по-прежнему остаются «устройствами выбора» для большинства инженеров, однако индукционные устройства нового поколения позволяют создавать точные абсолютные датчики положения, устойчивые к жестким условиям внешней среды.

Вместо решетки и оптического сенсора, в этих индуктивных датчиках положения используются плоские, печатные катушки индуктивности, чьи основные принципы функционирования напоминают таковые, к примеру, у датчиков угла поворота. С помощью этих катушек можно создавать компактные, легкие, абсолютные датчики с высоким разрешением, не зависящие от сложных оптических устройств. Эти датчики действительно абсолютные, и обладают большими преимуществами по сравнению с оптическими. Во-первых, на них не воздействуют загрязнения или влага. Во-вторых, на их измерительные способности, как правило, не влияют смещения или недостаточно точный монтаж. А это означает, что этим датчикам не нужно сверхточное крепление, и их очень просто крепить к частям механизмов. Это радикально упрощает автоматизацию, уменьшает размеры и вес конструкции. В общем и целом, индуктивные абсолютные датчики положения позволяют решать задачи определения положения с расходами, сравнимыми с традиционными инкрементальными датчиками.

Инкрементальные или абсолютные датчики положения

Сейчас продается примерно в три раза больше инкрементальных датчиков, чем абсолютных. Основная причина в том, что инкрементальные датчики, как правило, дешевле абсолютных, при сравнимых характеристиках.

Но абсолютные датчики сегодня уже не такие дорогие, как многие полагают. Переход к (бесконтактным) абсолютным измерениям положения может существенно улучшить производительность, повысить точность и снизить общие расходы. Это связано с тем, что с инкрементальными датчиками связан ряд практических проблем. Самая очевидная заключается в том, что при каждом отключении питания датчику требуется калибровка — это замедляет производительность системы, а также, в случае неожиданного отключения, может привести к нарушениям безопасности.

Во-вторых, положение определяется с помощью контрольной отметки. В некоторых случаях, особенно при изменении напряжения или быстрых изменениях положения, могут произойти нарушения в процессе отсчета. Это может существенным образом нарушить производственный процесс и, если не устранить проблему вовремя, привести к рассинхронизации производственных операций. Большинство инкрементальных датчиков являются оптическими, а для получения данных высокого разрешения элементы оптической решетки должны быть очень маленькими, иногда размером всего в несколько микронов в поперечнике. Хотя такие мелкие элементы и повышают чувствительность, они становятся очень хрупкими и уязвимыми к внешним факторам. Влага, жир и грязь могут остановить работу или, что еще хуже, нарушить точность показаний оптического прибора.

В последнее время разница в цене между абсолютными и инкрементальными датчиками сокращается, частично из-за повышенного распространения абсолютных датчиков, но главное — из-за внедрения новых технологий на основе абсолютных датчиков. Конечно, большинство инженеров по-прежнему предпочитают оптические датчики, но индукционные устройства нового поколения позволяют создавать точные абсолютные датчики положения, устойчивые к неблагоприятным условиям эксплуатации.

Вместо решетки и оптического датчика в этих индуктивных устройствах используются плоские печатные катушки индуктивности, основные принципы работы которых аналогичны принципам работы трансформаторов или резольверов. Фундаментальная физика позволяет создавать компактные и легкие абсолютные датчики высокого разрешения, которые не зависят от оптических характеристик источника света. Помимо того, что такие датчики являются абсолютными по своей сути, они имеют и другие преимущества перед оптическими датчиками. Во-первых, они не подвержены влиянию внешних факторов, например грязи и влажности. Во-вторых, на их измерительные способности, как правило, не влияют смещения или недостаточно точная установка. Это означает, что таким датчикам не нужны сверхточные корпусы или подшипниковые узлы и их можно просто крепить к частям механизмов, например двигателю или корпусу редуктора. В свою очередь, это приводит к существенным упрощениям, уменьшению размера и веса деталей соседних механических конструкций за счет устранения подшипников, валов, муфт и уплотнений. Более того, такие индуктивные устройства нового поколения могут иметь широкое проходное отверстие, через которое можно пропустить вал, кабели или контактные кольца основного оборудования. Для инженеров-конструкторов этот новый подход означает, что они могут обеспечить точность абсолютного измерения примерно по цене, по которой это возможно для инкрементальных датчиков.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *