что такое инкрементный датчик

Принцип работы инкрементального энкодера

Описание работы инкрементального энкодера, квадратура выходных сигналов, особенности механического сопряжения, особенности оптической и магнитной технологии.

Что такое инкрементальный энкодер?

Импульсный (пошаговый) энкодеротносится к типу энкодеров, которые предназначены для указания направления движения и/или углового перемещения внешнего механизма. Пошаговый (также именуемый инкрементный или инкрементальный) энкодер формирует импульсы, количество которых соответствует повороту вала на определенный угол. Этот тип энкодеров, в отличие от абсолютных, не формирует код положения вала, когда вал находится в покое.
Пошаговый энкодер связан со счетным устройством, это необходимо для подсчета импульсов и преобразования их в меру перемещения вала.

Конструкция инкрементального энкодера

Инкрементальный энкодер (он же пошаговый энкодер) состоит из следующих компонентов: источника света, диска с метками, фототранзисторной сборки и схемы обработки сигнала. Диск пошагового энкодера подразделен на точно позиционированные отметки. Количество отметок определяет количество импульсов за один оборот. К примеру, если диск поделен на 1000 меток, тогда за 250 импульсов вал должен повернуться на 90 градусов.

Технология (оптическая и магнитная)

В настоящее время широко распространены две технологии исполнения — оптическая и магнитная.
1. В оптическом энкодере первичным датчиком сигнала является оптический диск (как на картинке выше). Количество черных/прозрачных секторов на диске определяет разрешение оптического инкрементального энкодера, также именуемое как количество меток в обороте.
2. В настоящее время становятся очень популярными магнитные энкодеры. В магнитном энкодере сигнал положения вала формируется датчиком Холла. Данная технология открывает новые возможности, например, программируемое количество импульсов в обороте, причем некоторые производители энкодеров предоставляют такую возможность (программирования) самому Заказчику, что значительно облегчает подбор энкодера для своей конкретной задачи. Так, например, стало простой задачей заменить в оборудовании вышедший из строя энкодер с «экзотическим» числом импульсов в обороте, например, 1234 вместо более привычных 1024. В оптическом энкодере такое разрешение, как упоминалось выше, возможно только при «физическом» наличии нанесенных на диск меток.

Квадратура выхода (выходы А и В)

Максимальная частота ответа

Максимальная частота ответа является частотой, при которой вращающийся энкодер может дать электрический ответ. Такая частота имеет отношение к количеству выходных импульсов, на которые энкодер реагирует в секунду. Следовательно, энкодер пошагового типа должен удовлетворить следующее отношение:
(rpm/60) x (разрешение) ≤ максимальной частоты ответа.

Указатель нулевой отметки / импульс полного оборота (выход N)

В энкодере, имеющем этот выход, импульс на этом выходе появляется в каждом обороте вала. Функция показателя нуля может использоваться для сброса внешне связанного счетчика или для регистрации начальной (нулевой) позиции.

Функция оповещения Light reserve warning

Опциональная функция оповещения о снижении интенсивности (старении) светодиода подсветки считывающей матрицы энкодера.
В таких энкодерах имеется специальный выход (ножка разъема) именуемая «Light reserve warning» (в англ. документации) или «Frühwarnausgang» (в нем. документации). При снижении яркости свечения до критического уровня (когда возникает вероятность сбоя в работе энкодера) на этом выходе появляется предупреждающий положительный потенциал (например, +5V). Это позволяет своевременно принять меры и подумать о замене энкодера. Однако эта опция очень редко используется клиентами. К тому же параметры долговечности / стабильности светоизлучения светодиодов последние годы значительно улучшились в связи с чем данная опция вообще потеряла актуальность и практически больше не предлагается производителями энкодеров.

Разрешение

— это количество выходных импульсов за вращение вала.

Соединительный вал

Для механического соединения вала датчика с внешним механизмом следует использовать специальный гибкий соединитель (эластичную муфту), который предназначен для компенсации возможного биения валов, как в радиальном, так и в осевом направлении. Это позволяет резко снизить вероятность преждевременного износа подшипников вала датчика. Уже незначительный, возникший в осевом направлении вала, люфт может привести к полному электрическому отказу энкодера. Это связано с тем, что для достижения высокого разрешения, оптический диск и считывающая матрица располагаются в непосредственной близости друг от друга и минимальное осевое биение вала может привести к их механическому контакту, что в последствии приведет к разрушению нанесенных на диск меток.

Сопутствующие товары и статьи

Кодировка наименования инкрементального энкодера Wachendorff

Принцип формирования заказного кода в зависимости от требований к уровню и формату сигналов на выходе и др. параметров заказываемого энкодера Wachendorff.

Инкрементальные энкодеры с полым валом

Инкрементальные энкодеры с полым валом, отличающиеся высокой надежностью, высоким классом защиты, широким диапазоном рабочих температур, простотой монтажа, а также высоким, до 25000 импульсов на оборот, разрешением.

Аксессуары для энкодеров вращения и линейного перемещения

Соединительные эластичные муфты, переходники, фланцы, мерные колеса, специальные монтажные компоненты и пр. аксессуары для абсолютных и инкрементных энкодеров..

Инкрементальные энкодеры с цельным валом

Инкрементальные энкодеры с цельным валом, отличающиеся высокой устойчивостью к механическими нагрузками и воздействиям окружающей среды, разнообразием исполнений кабелей и разъемов для их подключения, а также высоким, до 25000 импульсов на один оборот, разрешением.

Инкрементальные магнитные энкодеры IXARC

Инкрементальные магнитные энкодеры IXARC с любым количеством импульсов в диапазоне разрешения до 16384 имп./оборот.

Источник

Принцип работы инкрементального энкодера

Содержание:

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:

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

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:

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:

Источник

Инкрементальные энкодеры

Инкрементальные энкодеры: принцип работы

Инкрементальные 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.1)

Рис.1

Разработчики 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.2 ниже).

Рис. 2 Использование сигналов каналов А и В для определения вращения

Рис. 3

Трехканальный 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.4

Рис. 4. Временная диаграмма трехканального инкрементального энкодера с сравнением синхронизированного и не синхронизированного импульса в индексном канале.

Индексный 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. 5). 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 6. 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.7. Эти преимущества связаны с дополнительными затратами для схем дифференциальных драйверов линий и дополнительных сигнальных линий.

Рис. 5. 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.6. 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. 7. Такие преимущества увеличивают цену решения, в связи с высокой стоимостью дифференциальных линейных драйверов и дополнительных сигнальных линий.

Рис.6. Временная диаграмма драйвера дифференциальной линии энкодера

Рис. 7. Обработка дифференциального сигнала линейным драйвером

Источник

Инкрементальный или абсолютный датчик положения?

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.

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.

Источник