Поворотный энкодер

, Поворотный энкодер также называемый энкодером , представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразует угловое положение или движение вала или оси в аналоговые или цифровые выходные сигналы. ^{[ 1 ]}

Существует два основных типа поворотных энкодеров: абсолютные и инкрементальные. Выход абсолютного энкодера показывает текущее положение вала, что делает его датчиком угла . Выходные данные инкрементального энкодера предоставляют информацию о движении вала, которая обычно обрабатывается в другом месте в такую информацию, как положение, скорость и расстояние.

Поворотные энкодеры используются в широком спектре приложений, требующих мониторинга или управления механическими системами или того и другого, включая промышленные средства управления, робототехнику , фотообъективы , ^{[ 2 ]} компьютерные устройства ввода, такие как оптомеханические мыши и трекболы , реометры с контролируемым напряжением и вращающиеся радиолокационные платформы.

Технологии

Квадратурный энкодер на эффекте Холла , определяющий зубья шестерни на карданном валу автомобиля-робота.

Механические : также известны как кондуктивные энкодеры. Ряд окружных медных дорожек, выгравированных на печатной плате, используется для кодирования информации с помощью контактных щеток, определяющих проводящие области. Механические энкодеры экономичны, но подвержены механическому износу. Они распространены в человеческих интерфейсах, таких как цифровые мультиметры . ^{[ 3 ]}
Оптический : используется свет, попадающий на фотодиод через щели в металлическом или стеклянном диске. Светоотражающие версии также существуют. Это одна из самых распространенных технологий. Оптические энкодеры очень чувствительны к пыли.
Осевой магнит : в этой технологии обычно используется специально намагниченный двухполюсный неодимовый магнит, прикрепленный к валу двигателя. Поскольку его можно закрепить на конце вала, он может работать с двигателями, у которых только один вал выходит из корпуса двигателя. Точность может варьироваться от нескольких градусов до менее 1 градуса. Разрешение может составлять от 1 градуса до 0,09 градуса (4000 CPR, количество на оборот). ^{[ 4 ]} Плохо спроектированная внутренняя интерполяция может вызвать дрожание выходного сигнала, но это можно преодолеть с помощью внутреннего усреднения выборки.
Внеосевой магнит : в этой технологии обычно используются ферритовые магниты на резиновой связке, прикрепленные к металлической втулке. Это обеспечивает гибкость в проектировании и низкую стоимость индивидуальных приложений. Благодаря гибкости многих чипов внеосевых энкодеров их можно запрограммировать на работу с любым количеством полюсов, поэтому чип можно разместить в любом положении, необходимом для конкретного применения. Магнитные энкодеры работают в суровых условиях, где оптические энкодеры не работают.

Основные типы

Абсолютный

Абсолютный энкодер сохраняет информацию о положении при отключении питания от энкодера. ^{[ 5 ]} Положение энкодера становится доступным сразу после подачи питания. Связь между значением энкодера и физическим положением управляемого оборудования устанавливается при сборке; системе не требуется возвращаться к точке калибровки для поддержания точности положения.

Абсолютный энкодер имеет несколько кодовых колец с различными двоичными весами, которые предоставляют слово данных, представляющее абсолютное положение энкодера за один оборот. Этот тип энкодера часто называют параллельным абсолютным энкодером. ^{[ 6 ]}

Многооборотный абсолютный поворотный энкодер включает в себя дополнительные кодовые и зубчатые колеса. Колесо с высоким разрешением измеряет дробное вращение, а кодовые колеса с зубчатой передачей с более низким разрешением записывают количество целых оборотов вала. ^{[ 7 ]}

Инкрементный

Инкрементальный энкодер немедленно сообщит об изменениях положения, что является важной возможностью в некоторых приложениях. Однако он не сообщает и не отслеживает абсолютное положение. В результате механическую систему, контролируемую инкрементным энкодером, возможно, придется привести в исходное положение (переместить в фиксированную опорную точку), чтобы инициализировать измерения абсолютного положения.

Абсолютный энкодер

Абсолютный поворотный энкодер

Строительство

Цифровые абсолютные энкодеры создают уникальный цифровой код для каждого отдельного угла вала. Они бывают двух основных типов: оптические и механические.

Механические абсолютные энкодеры

Металлический диск, содержащий набор концентрических колец отверстий, закреплен на изолирующем диске, жестко закрепленном на валу. Ряд скользящих контактов закреплен на неподвижном объекте так, что каждый контакт соприкасается с металлическим диском на разном расстоянии от вала. Когда диск вращается вместе с валом, некоторые контакты касаются металла, а другие попадают в зазоры, где металл был вырезан. Металлический лист подключен к источнику электрического тока , а каждый контакт подключен к отдельному электрическому датчику. Металлический рисунок спроектирован таким образом, что каждое возможное положение оси создает уникальный двоичный код , в котором некоторые контакты подключены к источнику тока (т.е. включены), а другие нет (т.е. выключены).

Контакты щеточного типа подвержены износу, и, следовательно, механические энкодеры обычно используются в низкоскоростных приложениях, таких как ручное регулирование громкости или управление настройкой в радиоприемнике.

Оптические абсолютные энкодеры

Диск оптического энкодера изготовлен из стекла или пластика с прозрачными и непрозрачными участками. Матрица источника света и фотодетектора в любой момент считывает оптический рисунок, возникающий в зависимости от положения диска. ^{[ 8 ]} код Грея Часто используется . Этот код может быть прочитан управляющим устройством, например микропроцессором или микроконтроллером, для определения угла вала.

Абсолютно аналоговый тип создает уникальный двойной аналоговый код, который можно преобразовать в абсолютный угол вала.

Магнитные абсолютные энкодеры

Магнитный энкодер использует серию магнитных полюсов (2 или более) для представления положения энкодера магнитному датчику (обычно магниторезистивному или на эффекте Холла). Магнитный датчик считывает положения магнитных полюсов.

Этот код может быть прочитан управляющим устройством, например микропроцессором или микроконтроллером для определения угла вала, аналогично оптическому энкодеру.

Абсолютный аналоговый тип создает уникальный двойной аналоговый код, который можно преобразовать в абсолютный угол вала (с помощью специального алгоритма). ^{[ нужна ссылка ]}).

Из-за особенностей записи магнитных эффектов эти кодеры могут быть оптимальными для использования в условиях, когда другие типы кодеров могут выйти из строя из-за скопления пыли или мусора. Магнитные энкодеры также относительно нечувствительны к вибрациям, незначительным смещениям или ударам.

Коммутация бесщеточного двигателя

Встроенные датчики поворота используются для указания угла вала двигателя в бесщеточных двигателях с постоянными магнитами , которые обычно используются в с ЧПУ станках , роботах и другом промышленном оборудовании. В таких случаях энкодер служит устройством обратной связи, которое играет жизненно важную роль в правильной работе оборудования. Бесщеточные двигатели требуют электронной коммутации, которая часто частично реализуется за счет использования магнитов ротора в качестве абсолютного энкодера с низким разрешением (обычно шесть или двенадцать импульсов на оборот). Полученная информация об угле вала передается сервоприводу, чтобы он мог в любой момент подать питание на соответствующую обмотку статора.

Емкостные абсолютные энкодеры

Внутри кодера вращается диск асимметричной формы. Этот диск изменит емкость между двумя электродами, которую можно измерить и рассчитать обратно до углового значения. ^{[ 9 ]}

Абсолютный многооборотный энкодер

Многооборотный энкодер может обнаруживать и сохранять более одного оборота. Термин «абсолютный многооборотный энкодер» обычно используется, если энкодер обнаруживает движения своего вала, даже если энкодер не подключен к внешнему источнику питания.

Многооборотный энкодер с батарейным питанием

В этом типе энкодера используется батарея для сохранения результатов при включении питания. Он использует энергосберегающую электрическую конструкцию для обнаружения движений.

Редукторный многооборотный энкодер

Эти энкодеры используют зубчатую передачу для механического хранения количества оборотов. Положение отдельных шестерен определяется с помощью одной из вышеупомянутых технологий. ^{[ 10 ]}

Многооборотный энкодер с автономным питанием

Эти энкодеры используют принцип сбора энергии для выработки энергии от движущегося вала. Этот принцип, введенный в 2007 г., ^{[ 11 ]} использует датчик Виганда для выработки электроэнергии, достаточной для питания энкодера и записи количества оборотов в энергонезависимую память. ^{[ 12 ]}

Способы кодирования положения вала

Стандартное двоичное кодирование

Ниже показан пример двоичного кода в предельно упрощенном энкодере, имеющем всего три контакта.

Стандартное двоичное кодирование
Сектор	Контакт 1	Контакт 2	Контакт 3	Угол
0	выключенный	выключенный	выключенный	от 0° до 45°
1	выключенный	выключенный	НА	от 45° до 90°
2	выключенный	НА	выключенный	от 90° до 135°
3	выключенный	НА	НА	от 135° до 180°
4	НА	выключенный	выключенный	от 180° до 225°
5	НА	выключенный	НА	от 225° до 270°
6	НА	НА	выключенный	от 270° до 315°
7	НА	НА	НА	от 315° до 360°

В общем, при n контактах количество различных положений вала равно 2. ^н. В этом примере n равно 3, поэтому имеется 2³ или 8 позиций.

В приведенном выше примере контакты производят стандартный двоичный счет при вращении диска. Однако это имеет тот недостаток, что если диск останавливается между двумя соседними секторами или контакты не идеально выровнены, определить угол вала может быть невозможно. Чтобы проиллюстрировать эту проблему, рассмотрим, что происходит, когда угол вала изменяется со 179,9° до 180,1° (с сектора 3 на сектор 4). В какой-то момент, согласно приведенной выше таблице, картина контакта меняется с «выключено-включено» на «включено-выключено». Однако это не то, что происходит в действительности. В практическом устройстве контакты никогда не располагаются идеально, поэтому каждый из них переключается в разный момент. Если сначала переключается контакт 1, затем контакт 3, а затем контакт 2, то фактическая последовательность кодов будет следующей:

выкл-вкл-вкл (исходное положение)

вкл-вкл (сначала включается контакт 1)

вкл-вкл-выкл (далее контакт 3 выключается)

вкл-выкл-выкл (окончательно контакт 2 выключается)

Теперь посмотрите на соответствующие этим кодам сектора в таблице. По порядку это 3, 7, 6, а затем 4. Итак, судя по последовательности полученных кодов, вал, похоже, перепрыгнул из сектора 3 в сектор 7, затем пошел назад в сектор 6, затем снова назад в сектор 4, именно там мы и ожидали его найти. Во многих ситуациях такое поведение нежелательно и может привести к сбою системы. Например, если бы энкодер использовался в манипуляторе робота, контроллер посчитал бы, что манипулятор находится в неправильном положении, и попытался бы исправить ошибку, повернув его на 180°, что, возможно, привело бы к повреждению манипулятора.

Серая кодировка

Чтобы избежать вышеуказанной проблемы, кодирование Грея используется . Это система двоичного счета, в которой любые два соседних кода отличаются всего на одну битовую позицию. Для приведенного выше примера с тремя контактами версия с кодом Грея будет следующей.

Серое кодирование
Сектор	Контакт 1	Контакт 2	Контакт 3	Угол
0	выключенный	выключенный	выключенный	от 0° до 45°
1	выключенный	выключенный	НА	от 45° до 90°
2	выключенный	НА	НА	от 90° до 135°
3	выключенный	НА	выключенный	от 135° до 180°
4	НА	НА	выключенный	от 180° до 225°
5	НА	НА	НА	от 225° до 270°
6	НА	выключенный	НА	от 270° до 315°
7	НА	выключенный	выключенный	от 315° до 360°

В данном примере переход из сектора 3 в сектор 4, как и все остальные переходы, предполагает только один из контактов, меняющий свое состояние с включенного на выключенное или наоборот. Это означает, что последовательность неправильных кодов, показанная на предыдущем рисунке, не может произойти.

Однодорожечное кодирование Грея

Если разработчик перемещает контакт в другое угловое положение (но на том же расстоянии от центрального вала), то соответствующий «образец колец» необходимо повернуть на тот же угол, чтобы получить тот же результат. Если самый старший бит (внутреннее кольцо на рисунке 1) повернут достаточно, он точно соответствует следующему кольцу. Поскольку оба кольца в этом случае идентичны, внутреннее кольцо можно опустить, а датчик для этого кольца переместить на оставшееся идентичное кольцо (но со смещением под этим углом от другого датчика на этом кольце). Эти два датчика на одном кольце образуют квадратурный энкодер с одним кольцом.

Вокруг одной дорожки (кольца) можно расположить несколько датчиков так, чтобы последовательные положения различались только у одного датчика; В результате получается однодорожечный кодер кода Грея.

Методы вывода данных

В зависимости от устройства и производителя абсолютный энкодер может использовать любой из нескольких типов сигналов и протоколов связи для передачи данных, включая параллельные двоичные, аналоговые сигналы (ток или напряжение), а также системы последовательных шин, такие как SSI , BiSS , Heidenhain EnDat, Sick. -Stegmann Hiperface, DeviceNet , Modbus , Profibus , CANopen и EtherCAT , которые обычно используют физические уровни Ethernet или RS-422/RS-485.

Инкрементальный энкодер

Поворотный инкрементный энкодер является наиболее широко используемым из всех поворотных энкодеров благодаря его способности предоставлять информацию о положении в реальном времени. Разрешение измерения инкрементного энкодера никоим образом не ограничивается двумя внутренними инкрементными датчиками движения; На рынке можно найти инкрементные энкодеры со скоростью до 10 000 отсчетов за оборот и более.

Поворотные инкрементные энкодеры сообщают об изменениях положения без каких-либо подсказок и передают эту информацию со скоростью передачи данных, которая на несколько порядков выше, чем у большинства типов абсолютных энкодеров вала. По этой причине инкрементные энкодеры обычно используются в приложениях, требующих точного измерения положения и скорости.

Поворотный инкрементальный энкодер может использовать механические, оптические или магнитные датчики для обнаружения изменений положения вращения. Механический тип обычно используется в качестве «цифрового потенциометра» с ручным управлением в электронном оборудовании. Например, в современных домашних и автомобильных стереосистемах в качестве регуляторов громкости обычно используются механические поворотные энкодеры. Энкодеры с механическими датчиками требуют устранения дребезга переключателей и, следовательно, ограничены в скорости вращения, с которой они могут работать. Оптический тип используется, когда встречаются более высокие скорости или требуется более высокая степень точности.

Поворотный инкрементальный энкодер имеет два выходных сигнала, A и B, которые выдают периодический цифровой сигнал в квадратуре при вращении вала энкодера. Это похоже на синусоидальные энкодеры, которые выдают синусоидальные сигналы в квадратуре (т. е. синус и косинус). ^{[ 13 ]} таким образом объединяя характеристики кодера и резольвера . Частота сигнала указывает скорость вращения вала, а количество импульсов указывает пройденное расстояние, тогда как соотношение фаз AB указывает направление вращения.

Некоторые инкрементные энкодеры имеют дополнительный «индексный» выход (обычно обозначенный Z), который выдает импульс, когда вал проходит под определенным углом. После каждого поворота сигнал Z утверждается, обычно всегда под одним и тем же углом, до следующего изменения состояния AB. Это обычно используется в радиолокационных системах и других приложениях, где требуется сигнал регистрации, когда вал энкодера расположен под определенным опорным углом.

В отличие от абсолютных энкодеров, инкрементальный энкодер не отслеживает и не указывает на абсолютное положение механической системы, к которой он подключен. Следовательно, чтобы определить абсолютное положение в любой конкретный момент, необходимо «отслеживать» абсолютное положение с помощью интерфейса инкрементального энкодера , который обычно включает в себя двунаправленный электронный счетчик.

Недорогие инкрементальные энкодеры используются в механических компьютерных мышах . Обычно используются два энкодера: один для определения движения влево-вправо, а другой для определения движения вперед-назад.

Поворотный (угловой) импульсный энкодер

Поворотный (угловой) импульсный энкодер имеет однополюсный переключатель для каждого направления, причем каждый из них работает только в направлении движения. Каждый поворот поворота в одном направлении приводит к переключению переключателя SPDT, связанного с этим направлением.

Другие поворотные энкодеры с импульсным выходом

Датчики вращения с одним выходом (т.е. тахометры ) не могут использоваться для определения направления движения, но подходят для измерения скорости и положения, когда направление движения постоянно. В некоторых приложениях их можно использовать для измерения расстояния движения (например, футов движения).

См. также

Аналоговые устройства, выполняющие аналогичную функцию, включают синхронизатор , резольвер , поворотный регулируемый дифференциальный трансформатор (RVDT) и поворотный потенциометр .
Линейный энкодер похож на поворотный энкодер, но измеряет положение или движение по прямой, а не по вращению. Линейные энкодеры часто используют инкрементное кодирование и используются во многих станках.
Поворотный переключатель

Ссылки

^ Мюррей, Майк (15 декабря 2019 г.). «Как работают поворотные энкодеры» . Гик-паб . Проверено 3 сентября 2019 г.
^ «Новинка — поворотный энкодер» . Архивировано из оригинала 5 октября 2013 г. Объектив видеокамеры Canon, используемый для управления масштабированием и диафрагмой.
^ «Руководство дизайнера по кодировщикам» . digikey.com . 19 апреля 2012 года . Проверено 23 ноября 2019 г.
^ «Магнитный высокоскоростной бесконтактный квадратурный энкодер MassMind V2» . MassMind.org . 10 января 2018 года . Проверено 12 июля 2019 г.
^ Эйтель, Элизабет. Основы поворотных энкодеров: обзор и новые технологии | Журнал Machine Design, 7 мая 2014 г. По состоянию на 30 июня 2014 г.
^ Руководство пользователя системы тестирования последовательного/инкрементного энкодера TI-5000EX ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}, Митчелл Электроникс, Инк.
^ Г. К. Макмиллан, Д. М. Консидайн (ред.) Справочник по технологическим приборам и средствам управления, пятое издание , McGraw Hill 1999, ISBN 978-0-07-012582-7 , стр. 5.26.
^ «Кодеры» (PDF) . п. 12 . Проверено 20 февраля 2013 г.
^ «Емкостный абсолютный энкодер» (PDF) . Камилла Бауэр . Проверено 20 февраля 2013 г.
^ Роберт, Репас. «Многооборотные абсолютные энкодеры» . www.machinedesign.com . Проверено 20 февраля 2013 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Новая технология создает кодировщик, который никогда не забывает» . журнал . www.motioncontrol.co.za. 2007 . Проверено 20 февраля 2013 г.
^ «Информационный документ о магнитном кодировщике» (PDF) . ФРАБА Инк. 3 . Проверено 13 февраля 2013 г.
^ Коллинз, Даниэль. «Что такое синусный энкодер (он же синус-косинусный энкодер)?» . Мир дизайна . Проверено 19 августа 2020 г.

Дальнейшее чтение

Уиндер, К. Фаррелл (октябрь 1959 г.). «Энкодеры угла вала обеспечивают высокую точность» (PDF) . Электронная промышленность . 18 (10). Компания Чилтон : 76–80 . Проверено 14 января 2018 г.
Военный справочник: энкодеры — угол вала в цифровом формате (PDF) . Министерство обороны США . 1991-09-30. МИЛ-ХДБК-231А. Архивировано (PDF) из оригинала 25 июля 2020 г. Проверено 25 июля 2020 г. (Примечание. Заменяет MIL-HDBK-231(AS) (01.07.1970).)

Внешние ссылки

«Выбор кодового колеса: подробный обзор того, как работают энкодеры». Архивировано 22 мая 2022 г. В Стива Трэхи от 25 марта 2008 г., архивировано 22 мая 2022 г., описываются «поворотные энкодеры». статье Стива Трэйи
«Кодеры обеспечивают ощущение места» описываются «нелинейные кодеры». В статье Джека Ганссла от 19 июля 2005 г.
«Роботы-кодировщики» .
Вводное руководство по ШИМ и квадратурному кодированию.
Revotics — Понимание квадратурного кодирования — описывает детали ротационного и квадратурного кодирования с упором на роботизированные приложения.
Как работает поворотный энкодер — видеообъяснение того, как работает поворотный энкодер, а также как его использовать с микроконтроллером Arduino.

[1] Мюррей, Майк (15 декабря 2019 г.). «Как работают поворотные энкодеры» . Гик-паб . Проверено 3 сентября 2019 г.

[2] «Новинка — поворотный энкодер» . Архивировано из оригинала 5 октября 2013 г. Объектив видеокамеры Canon, используемый для управления масштабированием и диафрагмой.

[3] «Руководство дизайнера по кодировщикам» . digikey.com . 19 апреля 2012 года . Проверено 23 ноября 2019 г.

[4] «Магнитный высокоскоростной бесконтактный квадратурный энкодер MassMind V2» . MassMind.org . 10 января 2018 года . Проверено 12 июля 2019 г.

[absolute1-5] Эйтель, Элизабет. Основы поворотных энкодеров: обзор и новые технологии | Журнал Machine Design, 7 мая 2014 г. По состоянию на 30 июня 2014 г.

[mitch_5000-6] Руководство пользователя системы тестирования последовательного/инкрементного энкодера TI-5000EX ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}, Митчелл Электроникс, Инк.

[7] Г. К. Макмиллан, Д. М. Консидайн (ред.) Справочник по технологическим приборам и средствам управления, пятое издание , McGraw Hill 1999, ISBN 978-0-07-012582-7 , стр. 5.26.

[8] «Кодеры» (PDF) . п. 12 . Проверено 20 февраля 2013 г.

[9] «Емкостный абсолютный энкодер» (PDF) . Камилла Бауэр . Проверено 20 февраля 2013 г.

[10] Роберт, Репас. «Многооборотные абсолютные энкодеры» . www.machinedesign.com . Проверено 20 февраля 2013 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[11] «Новая технология создает кодировщик, который никогда не забывает» . журнал . www.motioncontrol.co.za. 2007 . Проверено 20 февраля 2013 г.

[12] «Информационный документ о магнитном кодировщике» (PDF) . ФРАБА Инк. 3 . Проверено 13 февраля 2013 г.

[13] Коллинз, Даниэль. «Что такое синусный энкодер (он же синус-косинусный энкодер)?» . Мир дизайна . Проверено 19 августа 2020 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]