Przegląd kodera
Enkoder to urządzenie elektromechaniczne zamontowane na wale silnika, które śledzi i przekazuje informację zwrotną o prędkości i położeniu silnika, wysyłając impulsy cyfrowe. Jego podstawowa zasada działania jest następująca: zliczając impulsy generowane przez enkoder, system może obliczyć przemieszczenie aktualnej pozycji silnika w stosunku do ostatniej znanej pozycji, weryfikując w ten sposób, czy silnik dokładnie osiągnął pozycję docelową.
Podstawowa konstrukcja enkodera składa się ze źródła światła, dysku (dysku kodowego) z wygrawerowanymi na krawędziach szczelinami i odbiornika światła. Kiedy dysk kodowy obraca się wraz z wałem silnika, szczeliny dzielą ciągłe źródło światła statycznego na serię błysków. Odbiornik światła wykrywa te zmiany między światłem a ciemnością i przetwarza je na cyfrowe sygnały impulsowe o fali prostokątnej, które następnie są przesyłane do głównego sterownika. Jeśli rozdzielczość enkodera jest zgodna z rozdzielczością kroku silnika, enkoder wygeneruje jeden odpowiedni impuls dla każdego kroku ruchu silnika.
I. Enkodery przyrostowe
1. Zasada działania i sygnały wyjściowe
Enkoder inkrementalny działa poprzez generowanie serii impulsów podczas ruchu. Dysk z kodem ma równomiernie rozmieszczone szczeliny. Kiedy wał się obraca, stały czujnik fotoelektryczny wykrywa zmiany w przepuszczanym świetle i generuje ciągłą sekwencję impulsów. Standardowy enkoder inkrementalny zazwyczaj dostarcza dwa sygnały o fali-prostokątnej z różnicą fazową wynoszącą 90 stopni (kanał A i kanał B), zwane „sygnałami kwadraturowymi”. Zależność fazowa między tymi dwoma sygnałami służy do dokładnego określenia kierunku obrotu.
2. Względność informacji o pozycji i problem- utraty zasilania
Sygnały wyjściowe enkodera przyrostowegoprzemieszczenie względneinformacji, a nie pozycji absolutnej. Po włączeniu systemu koder zaczyna zliczać i wysyłać impulsy, a zewnętrzny licznik lub kontroler gromadzi te impulsy w celu obliczenia aktualnej pozycji. Jednakże w przypadku utraty zasilania wyjście impulsowe zatrzymuje się i jeśli przechowywana zewnętrznie wartość licznika nie ma zasilania rezerwowego, zostanie utracona. Po przywróceniu zasilania enkoder nie może automatycznie poznać aktualnej pozycji wału i zliczanie wartości zacznie się ponownie od zera.
3. Konieczność powrotu do bazy (powrót do odniesienia)
Ze względu na powyższe cechy, systemy wykorzystujące enkodery inkrementalne muszą wykonywać operację „homingu” przy każdym uruchomieniu lub ponownym uruchomieniu po awarii zasilania. Ta operacja zwykle powoduje ruch silnika do momentu wyzwolenia wcześniej określonego fizycznego punktu odniesienia, takiego jak wyłącznik krańcowy, wyłącznik magnetyczny lub impuls indeksu fazy Z-na dysku enkodera. Po znalezieniu tego punktu system resetuje lub ustawia licznik pozycji na znaną wartość, która następnie służy jako absolutne odniesienie dla wszystkich kolejnych ruchów.
4. Zalety, wady i zastosowania
Zalety:Stosunkowo prosta konstrukcja, niski koszt i wysoka niezawodność.
Wady:Informacje o pozycji są tracone po- wyłączeniu zasilania i zależą od operacji bazowania; zdolność zwalczania-zakłóceń jest stosunkowo słaba, a impulsy szumu mogą zostać błędnie zliczone do pozycji.
Rozwiązanie:W przypadku zastosowań, które wymagają utrzymania pozycji po- wyłączeniu zasilania, do zasilania licznika lub modułu pamięci można użyć akumulatora zapasowego.
II. Enkodery absolutne
1. Podstawowa zasada: unikalne kodowanie pozycji bezwzględnej
Podstawową cechą enkodera absolutnego jest to, że do każdej mechanicznej pozycji na dysku kodowym przypisany jest aunikalny kod cyfrowy. Zwykle osiąga się to poprzez utworzenie wielu koncentrycznych ścieżek kodu na dysku (każda ścieżka reprezentuje jeden bit binarny) i użycie wielu niezależnych czujników fotoelektrycznych. Dlatego nawet podczas postoju lub wyłączenia sygnał wyjściowy bezpośrednio odpowiada absolutnemu położeniu kątowemu wału.
2. Zachowywanie pozycji po-wyłączeniu zasilania i natychmiastowa dostępność po włączeniu-włączenia
Ponieważ informacja o pozycji jest jednoznacznie określana przez fizyczny wzór dysku z kodem, koder absolutny nie traci pozycji po- wyłączeniu zasilania. Gdy system zostanie ponownie włączony, sterownik może natychmiast odczytać bieżący kod położenia bezwzględnego bez wykonywania jakiejkolwiek operacji bazowania, co zapewnia „włączenie-i gotowość-do-użycia”, co znacznie poprawia wydajność i bezpieczeństwo uruchamiania.
3. Typy pojedynczych-tur i wielokrotnych-tur
Enkodery absolutne-jednoobrotowezapewniają unikalną wartość pozycji w obrębie jednego obrotu o 360 stopni i nadają się do zastosowań, w których zakres przesuwu jest mniejszy niż jeden obrót.
Wieloobrotowe enkodery absolutne-nie tylko zapewniają unikalną wartość w obrębie jednego obrotu, ale także rejestrują liczbę obrotów poprzez wewnętrzną przekładnię lub elektroniczny mechanizm zliczający. Mogą zapewnić globalną pozycję bezwzględną w ciągu wielu obrotów (na przykład do 4096 obrotów) i nadają się do zastosowań związanych z pozycjonowaniem-o długim skoku.
4. Sygnały i zalety
Kod wyjściowy:Powszechnie stosowany jest kod Graya, w którym pomiędzy sąsiednimi pozycjami zmienia się tylko jeden bit, co skutecznie zapobiega błędom odczytu.
Możliwość zwalczania-zakłóceń:Pozycja jest określana przez natychmiastowy odczyt wzoru dysku kodowego, więc sporadyczne impulsy szumu elektrycznego nie kumulują się, co skutkuje dużą odpornością na zakłócenia.
Wysokie bezpieczeństwo i elastyczność:Pozycję można zweryfikować natychmiast po- włączeniu zasilania, co pozwala uniknąć ryzyka spowodowanego startem z nieznanej pozycji; dowolny punkt może być użyty jako programowalne odniesienie, dzięki czemu projekt systemu jest bardziej elastyczny.
III. Mechaniczne enkodery absolutne (typ magnetyczny)
Jest to nowy typ rozwiązania do wykrywania położenia absolutnego, opartego na zasadach wykrywania magnetycznego, łączącego-pamięć o wyłączeniu zasilania z wysoką tolerancją środowiskową.
1. Zasada wykrywania pozycji pojedynczego-zakrętu
Jego rdzeń składa się ze specjalnego magnesu kompozytowego zamontowanego pośrodku wału silnika (z magnesowaniem bipolarnym w środku i magnesowaniem wielobiegunowym na obwodzie) oraz odpowiednich czujników magnetorezystancyjnych. Czujnik odczytujekierunekcentralnego pola magnetycznego w celu uzyskania zgrubnego kąta bezwzględnego (na przykład rozdzielonego do 180 stopni), a jednocześnie wykrywazmiany fazoweperyferyjnego pola magnetycznego o-gęstości w celu uzyskania-podziału kątowego o wysokiej rozdzielczości. Łącząc te dwa elementy, można obliczyć dokładną pozycję absolutną w jednym-zakręcie.
2. Zasada wykrywania pozycji wielu{{1}zakrętów
Aby uzyskać wieloobrotowe wykrywanie położenia bezwzględnego, w systemie zastosowano precyzyjną przekładnię. Główna przekładnia jest zamontowana na wale silnika, a za nią znajduje się szereg przekładni redukcyjnych o określonych przełożeniach zębów. Każde koło zębate jest wyposażone we własny magnes i czujnik.
Zasada działania:Kiedy wał silnika się obraca, każde koło zębate obraca się z inną prędkością. Magnesy na tych zębatkach tworzą unikalną kombinacjęróżnice fazowezwiązane z ich stanowiskami. System wykrywa fazę strumienia magnetycznego każdego koła zębatego i poprzez dekodowanie tego zestawu różnic fazowych może jednoznacznie określić bezwzględne położenie mechaniczne wału silnika w zakresie do kilku tysięcy obrotów.
Cechy konstrukcyjne:Liczba zębów przekładni jest specjalnie zaprojektowana tak, aby kombinacja różnicy faz powtarzała się dopiero po osiągnięciu maksymalnej wykrywalnej liczby zwojów (na przykład 1800 zwojów), zapewniając w ten sposób niepowtarzalność kodu pozycji. Przekładnie służą wyłącznie do wykrywania i nie przenoszą obciążenia elektrycznego. Są wykonane z samosmarujących się-żywic, co zapewnia długą żywotność.
3. Podstawowe zalety i scenariusze zastosowań
Brak baterii, pamięć stała:Informacje o położeniu są określane na podstawie fizycznego położenia przekładni mechanicznych i układu magnesów i nigdy nie są tracone nawet po całkowitej utracie zasilania.
Wysoka tolerancja środowiskowa:Brak precyzyjnych elementów optycznych i całkowicie zamknięta konstrukcja czujnika magnetycznego zapewnia znacznie lepszą odporność na kurz, zanieczyszczenie olejem, kondensację, wibracje i pewne szoki temperaturowe niż enkodery optyczne.
Równowaga pomiędzy kosztami i niezawodnością:Chociaż rozdzielczość może nie odpowiadać rozdzielczości-najwyższych koderów optycznych, jego solidna konstrukcja, wysoka niezawodność i konstrukcja niewymagająca konserwacji-bateryjnej- sprawiają, że jest to idealny wybór do zastosowań przemysłowych, które wymagają trwałości, bezpieczeństwa i eliminacji konserwacji baterii.
IV. Podsumowanie i odniesienie do wyboru
| Funkcja | Enkoder przyrostowy | Optyczny enkoder absolutny | Mechaniczny (magnetyczny) enkoder absolutny |
|---|---|---|---|
| Informacje o pozycji | Przemieszczenie względne | Pozycja bezwzględna dostępna po- włączeniu zasilania | Stała pozycja absolutna (bez baterii) |
| Po-wyłączeniu zasilania | Pozycja utracona, wymagane bazowanie | Pozycja zachowana (w zależności od baterii lub-pamięci nieulotnej) | Pozycja zachowana na stałe, nie wymaga zasilania |
| Odporność na hałas | Średnia (impulsy szumu mogą zostać błędnie zliczone) | Dobra (pozycja odczytana natychmiast, brak nagromadzonych szumów) | Dobry |
| Tolerancja środowiskowa | Dobry | Średnia (wrażliwa na kurz i kondensację) | Doskonała (odporna na olej, wibracje, zmiany temperatury) |
| Koszt | Niski | Średnie do wysokiego | Średni |
| Typowe zastosowania | Systemy wrażliwe na koszty, w których dopuszczalne jest bazowanie,-pętla otwarta lub prosta-pętla zamknięta | Wysoce-precyzyjne CNC, robotyka, czyste środowiska wymagające-włączenia zasilania | Sprzęt zewnętrzny, ciężkie maszyny, sprzęt logistyczny i trudne środowiska przemysłowe lub zastosowania związane z konserwacją akumulatorów |
Wniosek
W przypadku silników krokowych z otwartą-pętlą lub standardowych systemów serwoEnkodery przyrostowepozostają głównym wyborem ze względu na ich wysoką-opłacalność. W zastosowaniach wymagających „włączenia-i gotowości-do-użycia”, wysokiego bezpieczeństwa lub złożonych funkcji pozycjonowaniaenkodery absolutnesą niezbędne. Wśród rozwiązań absolutnych,mechaniczne enkodery absolutnezapewniają inżynierom potężną alternatywę, która może uprościć projektowanie systemu i poprawić-długoterminową niezawodność dzięki ichbateria-wolna pamięć stałaIdoskonała trwałość przemysłowa.
