Энкодер что это такое
Перейти к содержимому

Энкодер что это такое

  • автор:

Назначение и виды энкодеров

Энкодер (преобразователь угловых перемещений) – это электронное устройство, позволяющее с необходимой точностью измерить различные параметры вращения какой-либо детали, как правило, вала электродвигателя или редуктора.

Измеряемыми параметрами могут быть: скорость вращения, угловое положение по отношению к нулевой метке, направление вращения. Фактически энкодер является датчиком обратной связи, на выходе которого цифровой сигнал меняется в зависимости от угла поворота. Этот сигнал обрабатывается и далее подается на устройство индикации или на привод.

Применение энкодеров

Энкодеры широко применяются в промышленном оборудовании в ситуациях, когда необходима точная информация об объекте, который вращается или перемещается. Это может быть лента транспортера с какими-либо деталями или грузами, система измерения длины и проч. Энкодер позволяет цифровым способом узнать точную позицию детали или угол её поворота.

Виды энкодеров

Существуют два вида энкодеров – инкрементальный и абсолютный.

Инкрементальный энкодер по конструкции проще абсолютного и используется в подавляющем большинстве случаев. Данное устройство можно представить как диск с прорезями, который просвечивается оптическим датчиком. При вращении диска датчик включается или выключается в зависимости от того, находится ли он над прорезью или нет. В результате на выходе энкодера формируется последовательность дискретных импульсов, частота которых зависит от разрешения устройства (см. ниже) и частоты его вращения.

Инкрементальный и абсолютный энкодеры Siemens

Для того, чтобы определять начальное положение (точку отсчета), используется нуль-метка (выход Z, Zero), которая формируется один раз на полный оборот. Для определения направления вращения у энкодеров обычно имеются два выхода (А и В), на которых импульсы сдвинуты по фазе на четверть периода. По разнице фаз можно однозначно определить, в какую сторону вращается вал.

Основным минусом инкрементального энкодера является необходимость непрерывной обработки и анализа сигналов — для этого требуется контроллер и соответствующая программа. Кроме того, чтобы узнать положение инкрементального энкодера после подачи на него питания, необходимо провести инициализацию для поиска нуль-метки.

Абсолютный энкодер имеет более сложное устройство, но позволяет определить угол поворота в любой момент времени, даже в неподвижном состоянии механизма сразу после включения питания. На выходе абсолютного энкодера действует параллельный код Грея, разрядность которого определяет разрешение, а значит и точность показаний датчика.

Основные параметры

Главный параметр любого энкодера – разрешение, то есть количество импульсов (для абсолютного преобразователя – разрядность, или количество бит) на один оборот. Довольно часто используются преобразователи с разрешением 1024 импульса на оборот.

  • напряжение питания – от 5 до 24 В
  • тип вала – сплошной, полый, без вала (сквозное отверстие)
  • диаметр вала или отверстия
  • тип выхода – как правило, транзисторный выход с открытым коллектором
  • также учитываются размер корпуса, тип крепления и степень защиты

Также учитываются размер корпуса, тип крепления и степень защиты.

Монтаж

Энкодер крепится на валу, параметры вращения которого измеряются. Для монтажа используется специальная переходная муфта, позволяющая компенсировать возможную несоосность с валом энкодера, при этом его корпус должен быть жестко зафиксирован.

Другой вариант крепежа подходит для преобразователей с полым валом. В этом случае вал, параметры вращения которого подлежат измерению, непосредственно входит внутрь преобразователя и фиксируется в полой втулке либо в сквозном отверстии. В данном случае корпус энкодера не фиксируется, за исключением какой-либо пластины или ограничителя, не позволяющей ему вращаться.

Подключение

В простейшем случае, если позволяет ситуация, выход энкодера можно подключить ко входу счетчика и запрограммировать его на измерение скорости.

Но, как правило, энкодер используется совместно с контроллером. К контроллеру подключаются все необходимые выходы, и его программа рассчитывает скорость, ускорение, положение объекта с необходимыми коэффициентами и размерностями.

Например, энкодер установлен на валу электродвигателя, который перемещает одну деталь по направлению к другой. Путем вычислений на экране оператора отображается зазор между деталями, а при достижении некоторого минимального зазора движение деталей прекращается, чтобы избежать их повреждения.

Также преобразователи угловых перемещений нередко используются в качестве элемента обратной связи на валу двигателя, подключенного через частотный преобразователь. В этом случае энкодер устанавливается на валу двигателя или редуктора, и подключается к частотнику через специальную плату сопряжения. Таким образом, появляется возможность точного позиционирования поддержания нужной скорости и момента двигателя.

Что такое энкодер: типы и принцип работы

О том, что это устройство требуется для самых разных производственных задач, знают многие. При этом далеко не все четко понимают, как работает энкодер, что он собой представляет, для чего нужен энкодер и из чего состоит. Настоящая статья — небольшой ликбез на эту тему в вольном изложении. Надеемся, она кому-то окажется полезной. Начнем с матчасти.

Что такое энкодер?

Энкодер, также известный как датчик угла поворота и преобразователь угловых перемещений, — это специальное устройство для точного измерения характеристик вращающихся объектов (например, вала двигателя). Он регистрирует нужные параметры и формирует электрические сигналы, содержащие необходимую информацию.

Нужные параметры — это угол поворота вала, скорость его вращения, направление движения и местоположение вращаемой детали относительно базовой позиции. Подобные устройства требуются в самых разных направлениях производства, где нужны высокоточные измерения. Например, в машиностроении и робототехнике.

Применение энкодеров

Чаще всего их применяют в следующих сферах:

  1. Производство станков — направление специализированных предприятий, которые производят разнообразные станки и оборудование для металлообработки, запасные части и комплектующие к ним.
  2. Системы точного перемещения — технические решения, обеспечивающие высокоточное позиционирование. Такие системы могут быть как с ручным приводом, так и с линейным двигателем.
  3. Производство измерительного оборудования — контрольно-измерительных приборов, блоков преобразования сигналов, арматуры для датчиков давления и температуры и многого другого.

Также в некоторых сферах требуются высокопроизводительные датчики угла поворота, рассчитанные на эксплуатацию при высоких температурах и устойчивые к взрывам. Кроме перечисленных направлений, назначение энкодера может быть и иным:

  • типография — энкодеры закрепляют на валах, по которым перемещается материал для печати (бумага, виниловая пленка, баннерная ткань и т. д.);
  • автомобильная промышленность — для определения точного угла поворота колес или взаимодействия с двигателями;
  • в производстве химических средств — для оборудования, обеспечивающего автоматизированную фасовку.

Типы энкодеров

По принципу работы, конструкции и форме выдаваемого сигнала преобразователи угловых перемещений делятся на два основных вида — инкрементальные (также называемые инкрементные) и абсолютные. Давайте разберем виды энкодеров и их ключевые особенности.

Инкрементальный энкодер

У такого энкодера принцип работы самый простой, как правило, его функциональных возможностей достаточно для большинства задач. Устройство представляет собой диск с прорезями. При вращении его просвечивает оптический датчик, который активируется или деактивируется в зависимости от того, в каком положении он находится относительно прорези.

По сути, устройство неспособно определить местоположение ручки, оно знает лишь направление, а количество делений поворота фиксирует контроллер. Результат работы такого преобразователя угловых перемещений — последовательность цифровых сигналов частоты, зависящей от его разрешения и частоты вращения.

Самый распространенный пример инкрементального энкодера в быту — это регулятор громкости акустической системы с цифровым управлением. Его отличает наличие шкалы с конкретными значениями, например, от 0 до 10. Другой пример — навигация по разнообразным меню.

Главные плюсы инкрементального энкодера — доступная цена, достаточная для большинства задач функциональность и легкость обработки сигналов (последовательных импульсов). В минусы устройства обычно записывают необходимость этой самой обработки выходных сигналов в постоянном режиме, а также инициализации для поиска нуль-метки или нулевого положения механизма.

Абсолютный энкодер

Такой преобразователь угловых перемещений лишен недостатков, характерных для инкрементальных устройств. Диск разбит на секторы одинакового размера, а выходной сигнал соответствует текущему углу поворота. Благодаря такой конструкции устройство фиксирует значение угла в любой момент времени, даже если механизм неподвижен. Присоединять систему отсчета датчика к определенному нулевому значению не нужно.

Более точный принцип действия энкодера абсолютного типа требуется далеко не всегда. В основном такие устройства приобретают для сложного оборудования, когда возможность знать точное позиционирование объекта в любой момент времени является критически важной. Недостатки таких преобразователей:

  • они в несколько раз дороже инкрементальных;
  • их выходной сигнал (параллельный код) сложнее обрабатывать.

Отличия энкодеров абсолютного типа тоже есть, они бывают однооборотными и многооборотными. Эта характеристика определяет сферу их эксплуатации. Однооборотные модели, как правило, применяют для измерения углов поворота. Они регистрируют абсолютное значение после одного совершенного оборота, затем код приводится в начальное значение.

Многооборотные модели, в свою очередь, снабжены дополнительным передаточным механизмом, с которым устройство также фиксирует количество оборотов. Такие энкодеры требуются для систем с линейным перемещением.

Оптический энкодер

По конструкции и принципу работы это устройство схоже с инкрементальным. Прибор представляет собой стеклянный диск, прочно зафиксированный на валу. Оптический датчик поворота преобразует момент вращения в поток света, принимаемый фоточувствительным датчиком.

Каждому положению диска этого устройства соответствует свой цифровой код. Вместе с количеством оборотов он представляет собой одну единицу измерения энкодера. Оптические преобразователи угловых перемещений бывают двух типов:

  1. Магнитные. При вращении вала они фиксируют прохождение полюса магнита, который расположен возле чувствительного элемента. Сигналы передаются в цифровой форме. Плюсы этого варианта — простая конструкция, меньше требований к условиям эксплуатации и более доступная стоимость.
  2. Фотоэлектрические. Эти устройства используют фотоэлектрический эффект, который вызывает попадание света на датчик и его преобразование в сигнал электрического тока. Фотоэлектрические энкодеры отличаются высокой чувствительностью, при этом обладают хорошей точностью.

Механический энкодер

В сравнении с перечисленными выше вариантами такое устройство можно назвать устаревшим, поскольку оно передает аналоговый сигнал. Материалом для изготовления диска служит диэлектрик с выпуклыми либо непрозрачными участками. Наличие контактов и переключателей делает возможным расчет значения абсолютного угла.

Главный минус механических энкодеров — их низкая надежность. Неизбежное разбалтывание контактов приводит к искажению сигнала и, соответственно, неверным или как минимум недостаточно точным показаниям. Ни один из более современных вариантов не имеет такого недостатка.

Есть и другие, менее известные энкодеры, устройство и принцип работы их могут отличаться от рассмотренных выше. Как правило, они менее распространены, поскольку имеют более существенные недостатки при отсутствии видимых преимуществ.

Подключение энкодера

Прежде всего важно понимать, что энкодер любого типа лишь формирует сигналы, на этом его функциональная роль заканчивается. Он передает их другому устройству для последующей обработки. Это может быть не только контроллер но и, например, счетчик, запрограммированный на измерение заданных параметров (в первую очередь — скорости).

Также энкодер подключают к преобразователям частоты, обеспечивающим питание электродвигателя. В этом случае появляется возможность точно позиционировать устройство и задавать определенную скорость, не используя для этого контроллер (векторное управление). В результате дальнейших расчетов можно получить данные о скорости вращения, его направлении, местоположении вала или другого объекта.

В случае с контроллером для соединения используют нужные выходы, при этом вычислением положения и скорости вала уже занимается программа. Типичный сценарий: энкодер, закрепленный на валу электродвигателя, который движется в сторону другого элемента конструкции. При достижении заданного расстояния между ними первый останавливается во избежание повреждений оборудования.

Физически энкодер в большинстве случаев подключают трех- или шестипроводной схемой, есть и другие варианты соединения. Главным фактором, влияющим на способ подключения датчика, является тип принимающего устройства. Крайне важно:

  • не экономить на кабеле — использовать следует только тот, который рекомендован заводом-производителем;
  • использовать дополнительный источник питания, если на принимающем устройстве нет клемм для питания датчика;
  • не подключать высокоточный энкодер к источникам, используемым для питания реле и других датчиков (чревато помехами и неверными показаниями).

Как выбрать энкодер

Теперь, когда с матчастью покончено, перейдем к критериям выбора этого устройства. Проще всего, когда его приобретают для разрабатываемой системы — на этой стадии производится комплексный расчет всей инженерной конструкции. Соответственно, датчик подбирают в соответствии с конкретными требованиями технического задания.

Также бывают ситуации, когда этот прибор вышел из строя или стал работать нестабильно, оказался недостаточно надежен, дорог в обслуживании и т. д.

В первом случае — когда речь только о поломке — достаточно переписать маркировочные данные на корпусе энкодера и подобрать устройство с такими же характеристиками. Во втором случае — если необходимо приобрести прибор с другими параметрами — лучше всего обратиться к специалистам по подбору такого оборудования.

В общем случае при выборе энкодера принимают во внимание следующие факторы:

  1. Местоположение монтажа устройства. Важно заранее понимать, где оно будет устанавливаться, — внутри помещения или на улице. Во втором случае может понадобиться защита от влаги и посторонних мелких предметов (IP).
  2. Тип энкодера. Как правило, выбор лежит между инкрементальным, абсолютным или магнитным датчиком. Здесь нет никакого смысла приобретать в несколько раз более дорогой вариант с функциональностью, которая никогда не будет задействована.
  3. Тип выходного сигнала. Бывают ситуации, когда этот параметр играет очень важную роль в силу особенностей дальнейшей обработки информации. Здесь только специалист сможет сказать, какой конкретно сигнал ему нужен.
  4. Разрядность/разрешение. По сути, это количество создаваемых импульсов на один оборот диска. В зависимости от модели, эта характеристика может иметь значение от 1 до 5000 импульсов за оборот.

Последнюю характеристику — разрешение — рассмотрим более детально. Ее выбирают, отталкиваясь от скорости вращения вала электродвигателя — программная часть энкодера должна успевать генерировать сигналы. Важно заранее убедиться в том, что паспортное разрешение датчика соответствует частоте вращения вала исполнительного органа.

Обратим внимание на один очень существенный момент. Нет никакого смысла приобретать энкодер с более высоким значением разрядности, если контроллер или иное устройство, принимающее сигнал, не будет успевать считать все импульсы. В этом случае скорость и другие параметры могут быть рассчитаны неверно, точность будет низкой.

Более правильно начать вопрос выбора устройства и работы энкодера с количества импульсов на оборот диска, которого достаточно, чтобы обеспечить нужную точность. В случае с электродвигателем с асинхронным короткозамкнутым ротором выбранная разрядность будет определять поведение системы.

Если эта характеристика очень мала, то вал мотора может двигаться с рывками. Также система может работать некорректно при удержании вала на нулевой скорости. Точно же предсказать, как в этом случае будет вести себя мотор, невозможно, не зная логики работы привода. Самый доступный способ подобрать подходящий вариант — проверять, как работает система при разных комбинациях привода, электромотора и энкодера.

По всем вопросам, связанным с энкодерами, их обслуживанием и ремонтом, вы можете обратиться в инженерную компанию 555. Звоните по любому телефону, чтобы выяснить все интересующие вопросы.

Энкодер: устройство и примеры работы

Нередко статьи у меня на блоге тесно связаны с промышленным оборудованием. На этот раз я подробно рассматриваю энкодер – очень важное устройство, без которого не обходится ни одна солидная производственная линия. А почему энкодер столь важен, будет понятно из моей статьи. Разберём подключение энкодера, его работу, устройство и монтаж. Как обычно в таких статьях, будут реальные примеры работы энкодеров в различных узлах оборудования. И, конечно же, будет много фотографий, сделанных мною лично.

Итак, для начала –

  • Что такое энкодер?
  • Принципы работы и устройство энкодеров
  • Подключение энкодера
  • Сигналы и выходы инкрементального энкодера
  • Монтаж энкодеров
  • Подключение и работа энкодеров. Реальные примеры.
  • Измерение скорости полотна
  • Положение деталей на конвейере
  • Перемещение детали
  • Перемещение упора
  • Вычисление точной координаты
  • Системы дозирования
  • Защита двигателя
  • Запоминающие энкодеры

Энкодер – это электронный датчик, который механически крепится на какой-либо вращающейся детали. Обычно корпус энкодера остается неподвижным, а вращается только его вал. Это позволяет с необходимой точностью измерять разные параметры :

  • скорость вращения,
  • расстояние (длину),
  • направление вращения,
  • угловое положение по отношению к нулевой метке.

Энкодер является самым распространенным «измерительным инструментом» в современном промышленном оборудовании. Фактически энкодер является датчиком обратной связи, на выходе которого цифровой сигнал меняется в зависимости от его вращения или от угла его поворота. Этот сигнал обрабатывается в счетчике или контроллере, который выдает команды на устройство индикации или привод.

Этикетка инкрементного энкодера Sick, установленного на валу двигателя постоянного тока. Основной параметр – 1024 импульса на оборот

Энкодеру найдено множество применений, учитывая возможности последующей обработки его сигнала. Например – измерение погонной длины какого-либо материала, измерение угла открытия/закрытия задвижки, точное позиционирование деталей при перемещении и обработке. Конкретные примеры будут ниже.

Энкодеры, о которых идёт речь в статье, в некоторых источниках называются датчиками углового перемещения, датчиками угла поворота, и даже “N-кодером”.

А вообще энкодер – это любое устройство, которое преобразовывает или декодирует какой-то сигнал или информацию.

Существует два вида энкодеров по конструкции и виду выходного сигнала – инкрементальный (инкрементный) и абсолютный.

Инкрементальный энкодер устроен проще сравнению с абсолютным, и используется в большинстве случаев. Такой энкодер можно представить как диск с прорезями, который просвечивается оптическим датчиком. При вращении этого диска датчик будет активироваться или деактивироваться зависимости от своего положения над прорезью. В результате на выходе энкодера формируется последовательность дискретных импульсов, частота которых зависит от разрешения энкодера и его частоты вращения.

Типичный пример в цифрах – одному полному обороту энкодера соответствует 1000 дискретных изменений уровня сигнала, которые говорят об его угловом положении. В инструкции к такому энкодеру будет написано: “Разрешение – 1000 импульсов на оборот”. В более совершенных моделях на один оборот приходится 2000, 4000 и более импульсов. Бывают и программируемые энкодеры, разрешение которых пользователь может менять в очень широких пределах – например, от 1 до 65536 импульсов на оборот.

Например, если энкодер закреплен на валу асинхронного двигателя, который вращается с частотой 1500 оборотов в минуту, то при разрешении энкодера 1000 импульсов на оборот частота выходных импульсов будет равна 25 кГц.

Разрешение и максимальная частота вращения обратнозависимы – ведь не может же частота выходных импульсов исчисляться гигагерцами. Обычно выходная частота ограничена значением около 500 кГц. Да и не всякий контроллер “скушает” такую частоту. Делаем вывод: энкодер с разрешением 1000 имп/оборот (наиболее распространенный) не может крутиться с частотой выше 500 Гц или 30000 об/мин. Но такие скорости в механике я лично не встречал. Делаем второй вывод: высокое разрешение не всегда хорошо.

Пример, поясняющий работу энкодера:

Энкодер: устройство и примеры работы

Конструкция, поясняющая работу оптического энкодера

На фото – не энкодер, но данная конструкция в первом приближении прекрасно иллюстрирует работу и устройство инкрементального оптического энкодера. Про щелевой оптический датчик я писал в статье про оптические датчики, там подробнее.

Бич подобных конструкций – при механической поломке, связанной со смещением диска (или другого активатора), датчик легко ломается… В энкодере такого не может быть – там всё надёжно закреплено и защищено.

Основной минус инкрементального энкодера – необходимость непрерывной обработки его выходного сигнала. Кроме того, чтобы узнать положение инкрементального энкодера после подачи на него питания, необходимо провести инициализацию для поиска нуль-метки (что это такое – расскажу позже) либо для поиска нулевого положения механизма.

Абсолютный энкодер имеет более сложное устройство, но он позволяет определить угол поворота в любой момент времени, даже в неподвижном состоянии механизма сразу после включения питания. Говоря простыми словами, выходной сигнал у него – это параллельный код (например, 8-разрядный, имеющий 256 значений), который соответствует углу поворота. Соответствующую конфигурацию имеют и прорези в диске энкодера.

Абсолютные энкодеры работают в сложном оборудовании – там, где в любой момент времени (в том числе, в момент подачи питания) нужно знать точное положение объекта. Но сейчас, с появлением дешевых контроллеров с энергонезависимой памятью, в 99% используются инкрементальные энкодеры. Тем более учитывая, что их цена в несколько раз ниже, чем у абсолютных. Да и обрабатывать последовательные импульсы гораздо проще, чем параллельный код.

Использовать абсолютный энкодер для определения скорости вращения – всё равно, что использовать мощный настольный компьютер только для прослушивания музыки в ВК.

Бывают энкодеры не оптического принципа работы. Но я про них ничего рассказывать не буду, поскольку не имел с ними дела..

Энкодер никогда не работает сам по себе. Он всегда подключается к устройству обработки сигналов, с помощью которого можно переварить и проанализировать импульсы на его выходах. Подключить энкодер легко – ведь это фактически датчик с транзисторными выходами. В простейшем случае, выход энкодера можно подключить ко входу счетчика, и запрограммировать его на измерение скорости или длины.

Но чаще всего выходные сигналы энкодера обрабатываются в контроллере. А далее путем расчетов можно получить информацию о скорости, направлении вращения, ускорении, положении объекта.

Энкодеры подключают не только к контроллеру. Он также может подключаться к преобразователю частоты, питающему электродвигатель. Таким образом , появляется возможность точного позиционирования, а также поддержания нужной скорости и момента вращения двигателя без использования контроллера. Это называется векторным управлением.

В принципе, простейший энкодер, кроме проводов питания, может иметь один дискретный выход, импульсы на котором будут однозначно говорить о скорости вращения вала, на котором он закреплён:

Энкодер: устройство и примеры работы

Импульсы на выходе энкодера – один канал

Период Т – величина, обратная частоте, а про частоту мы говорили выше. Уровень “Н” – это напряжение, почти равное напряжению питания (обычно 5, 12, или 24 В). Уровень “L” – около нуля.

Само собой, реальные импульсы не столь идеальны – у них может гулять скважность и будут завалены фронты.

Что может рассказать нам такой энкодер? Только о скорости и погонных метрах. Например, его можно применять для определения частоты вращения двигателя, или длины материала после нажатия кнопки “Сброс”. Неплохо, но хочется большего!

Если будет два выхода, импульсы на которых (оптическим способом) сдвинуты на четверть периода, мы сможем узнать направление вращения:

Энкодер: устройство и примеры работы

Импульсы каналов А и В с фазовым сдвигом

Такие выходы со сдвигом фаз на четверть периода называются квадратурными каналами. Этот приём широко применяется в радиотехнике и электронике не только для определения направления вращения, но и для определения знака рассогласования частот (больше или меньше опорной частоты?).

Если сдвиг фаз положительный (фаза В отстает), можно условиться о прямом вращении. Если отрицательный (фаза В опережает фазу А на четверть), значит, вращение в обратном направлении. Два этих сигнала с одной частотой и фазой ±90° подаются на триггер, выход которого однозначно указывает о направлении вращения.

Ничего это не напоминает? В энкодере – двухфазная система, со сдвигом фаз 90°, в электрощите – трехфазная система, со сдвигом фаз 120°. Для смены направления вращения трехфазного двигателя достаточно поменять местами любые две фазы.

Со скоростью, расстоянием и направлением разобрались, а что делать, если нужно узнать угол поворота? Для этого вводится сигнал “Z” (Zero) – опорный импульс, который также называют нуль-меткой или референсной меткой:

Энкодер: устройство и примеры работы

Выходы энкодера А, В с нулевой меткой Z

Импульс “Z” имеет длительность Т (бывает и другая длительность – T/2, или 2Т) и проскакивает 1 раз за оборот вала энкодера. Иными словами, длительность нулевой метки может быть в тысячи раз короче периода вращения вала энкодера.

Как и у индуктивных датчиков, выходы энкодера транзисторные, и могут быть нескольких типов. Читайте статью про подключение транзисторных оптических и индуктивных датчиков.

В современных датчиках каждая фаза (канал) обычно имеет ещё один, противофазный выход.

С теорией заканчиваем, плавно переходим к практике.

По монтажу сразу скажу главное – вал энкодера по отношению к валу механизма должен быть надежно зафиксирован! Обычно это делается при помощи шестигранных винтов.

Бывали случаи, когда из-за проскальзывания самодельных и даже штатных муфт глючили производственные линии, и мы долго не могли найти причину – ведь всё остается исправным!

Монтироваться энкодер может и на валу двигателя, и на валу любого другого механизма – это не принципиально, и зависит лишь от конструкции и требований к точности выполнения поставленной задачи.

Вал энкодера никогда не будет соосным с вращающимся валом (вспомните, для чего нужен карданный вал). Поэтому используются специальные заводские переходные муфты, нужно надежно их крепить и периодически проверять качество монтажа.

Энкодер: устройство и примеры работы

Энкодер механически соединен с приводом через соединительную муфту для компенсации несоосности

Корпус любого энкодера всегда неподвижен. Вращается только его внутренняя подвижная часть.

Существуют энкодеры с полым валом, которые надеваются непосредственно на измеряемый вал и там фиксируются. Там даже нет такого понятия, как несоосность. Их гораздо проще монтировать, и они надежнее в эксплуатации. Чтобы энкодер при этом не прокручивался, используется лишь металлический поводок. На фото ниже показан энкодер с полым валом (обозначен В21.1), надетый на вал редуктора:

Энкодер: устройство и примеры работы

Энкодер с полым валом, надет на вал редуктора

Обратите внимание – корпус энкодера целиком и полностью держится на валу редуктора. От проворачивания его держит металлический поводок. При работе энкодер обычно немного покачивается по овальной траектории, это нормально, поскольку идеал существует только на картинках в даташитах и учебниках.

Бывают сквозные полые валы, когда ось механизма проходит через энкодер насквозь.

Ниже я рассмотрю несколько примеров использования энкодеров в реальном оборудовании.

Измерение скорости полотна

В данном примере, инкрементальный энкодер ELCO используется для измерения скорости бумажного полотна при производстве бумаги. Энкодер закреплен на бумаговедущем валу через муфту, скорость вращения которого однозначно говорит о скорости бумаги.

При помощи системы «энкодер+контроллер» можно вычислить мгновенную скорость, а также погонную длину произведенной продукции.

Энкодер: устройство и примеры работы

Энкодер работает на бумаговедущем валу

или другой ракурс:

Энкодер: устройство и примеры работы

Энкодер ELCO работает на бумаговедущем валу. Корпус энкодера закреплен жестко, стыковка валов – через компенсирующую муфту

Минус такой установки – при механической поломке вала (а это бывало уже не раз, изнашиваются подшипники) ломается либо муфта, либо сам энкодер.

Энкодер: что это такое, принцип работы, виды, для чего используется

Энкодер – это устройство для замеров тех или иных параметров цифровыми методами. К таковым могут относиться параметры передвижения деталей, углы их поворота, направление перемещения, скорость. Энкодер еще называют преобразователем угловых помещений.

Энкодер: что это такое, принцип работы, виды, для чего используется

Наиболее важный параметр прибора – число импульсов, которые образуются в течение совершения одного оборота. Это так называемая разрядность энкодера. Иногда ее еще называют разрешением или разрешающей способностью. Как правило, параметры разрешающей способности равны 1 024 за каждый оборот.

Среди прочих важных конструктивных параметров выделяют:

  1. Рабочее напряжение на устройстве.
  2. Тип вала – он может быть как пустым, так и сплошным.
  3. Размеры вала и отверстия.
  4. Способ выхода.
  5. Габариты корпуса устройства.
  6. Метод крепления.

Разновидности энкодеров

Любой энкодер представляет собой поворотный датчик. Самая простая его конструкция оснащается ручкой, которая может осуществлять повороты в разные стороны. От того, на сколько углов было совершено вращение, а также от направления вращения и будет зависеть цифровой сигнал на выходе.

Эти устройства принято разделять по таким критериям:

  • инкрементные и абсолютные;
  • оптические, магнитные и механические.

Энкодер инкрементного типа образует импульсы, которые определяются устройством считывания информации. Это и позволяет им определять положение того или иного объекта, а также подсчитывать количество импульсов.

Когда устройство приводится в работу, настоящее положение целевого объекта еще неизвестно. Для того чтобы подключилась система отсчета, используется нулевая отметка. Через нее вал проходит после включения энкодера.

enkoder-1-1-1.png

При всех своих плюсах, данная разновидность устройств имеет некоторые недостатки. Например, то, что определение пропуска импульсов от преобразовательного устройства невозможно. Порой это способствует накоплению ошибок во время определения угла поворота. Чтобы избежать этого, применяют пару каналов измерения – синусные и косинусные.

Абсолютные энкодеры имеют специальный поворотный круг, который разделен на специальные секторы, как правило, имеющие одинаковые размеры и пронумерованные. Когда устройство включается в работу, выдается тот или иной номер сектора, где оно находится в данный момент. Отсюда и название – абсолютный энкодер. Данная конструктивная особенность позволяет быстро определить как угол, так и положение, а также направление вращения. Данные параметры определяются относительно нулевого сектора диска.

enkoder-1-1-3.jpg

Абсолютные угловые датчики не требуют соединения системы отсчета с нулевым значением. Для начала определения положения и иных показателей в них применяется так называемый код Грея. Именно он позволяет избегать ошибок.

Можно назвать лишь один недостаток данного типа датчика – это необходимость постоянного перевода в двоичные коды для определения положения. Оптический тип датчика конструктивно предусматривает наличие оптического растрового диска, который закрепляется на вал. Когда тот вращается, формируется световой поток, затем он воспринимается фотоприемником.

enkoder-1-1-4.jpg

Оптические энкодеры абсолютного типа – это устройства, в которых каждая позиция вала обладает своим выходным цифровым кодом, являющимся главным показателем для устройства. Согласно ему и производятся вычисления, а также закрепление параметров передвижения диска.

Существует также магнитная разновидность энкодеров, которые регистрируют движение подвижных магнитных элементов. Затем данные переводятся в определенные сигналы, понятные системе.

enkoder-1-1-5.jpg

Наконец, механические энкодеры. Они имеют диск, изготовленный из диэлектрика, на котором нанесены выпуклые, либо непрозрачные области. Значение абсолютного угла считывается при помощи линейки контактов и переключателей. Здесь также работает код Грея. Он позволяет устранить неоднозначные интерпретации сигналов.

enkoder-1-1-6.jpg

В качестве минусов данных типов энкодеров можно назвать разбалтывание контактов со временем. Это будет приводить к тому, что сигнал подвергнется искажению, выдавая не всегда достоверные подсчеты. Датчики оптических и магнитных моделей лишены данного недостатка.

Кроме того, различают одно- и многооборотные энкодеры. Однооборотным является датчик, выдающий показания по абсолютному значению в рамках вращения на 360 градусов, то есть внутри одного оборота. После того, как оборот будет совершен, код начинает считываться заново. Обычно датчики таких моделей находят свое применение в антенных системах, коленчатых прессах и т.п.

Многооборотные устройства, как несложно догадаться, рассчитаны на счет кодов в течение определенного числа оборотов. К примеру, для линейных проводов, либо для измерительных задач при помощи зубчатых измерительных штанг данный подход считается неприменимым. Тогда выручают датчики, которые не только измеряют углы поворотов внутри одного вращения, но и регистрируют количество вращений посредством особого передаточного устройства.

Особенности настроек и подключения

Монтажом энкодеров должен заниматься только профессиональный мастер. Они монтируются обычно на том валу, с которого считывается информация. Применяются переходные муфты для компенсации различия размеров. Корпус энкодера необходимо как можно более прочно закрепить.

Если же речь идет о монтажных работах на полом валу, то требуется прибегнуть к иному методу. В этом случае вал включается внутри датчика и монтируется внутри полой втулки. При этом сам корпус считывающего устройства закреплять не следует.

Если брать самый элементарный случай подключения, то, по возможности, следует подключить выход преобразователя к входу счетного устройства, и запрограммировать его на определенные параметры скорости.

В основном, преобразователи применяются совместно с контроллерами. К преобразователю необходимо присоединить нужные выходы. После этого программой будет автоматически определено, какое положение объект занимает в данный момент времени, какова его скорость, каким ускорением он обладает.

Характеристики

Каждая разновидность энкодера имеет свои особенности и характеристики:

  • Величина импульсов, которая производится в момент одного оборота диска в процессе работы. Может варьироваться от 1 до 5 тысяч импульсов.
  • Для абсолютных энкодеров важна такая характеристика, как разрядность бит или их количество.
  • Тип вала, используемого в устройстве, может отличаться — он бывает с прямой осью или полый.
  • Учитывается разновидность используемого фланца на валу под шпонку.
  • Сигнал при выходе может отличаться.
  • Уровень напряжения питания.
  • Используемый тип разъема и длина кабеля.

В зависимости от сложности устройства и возможности выдерживать различные нагрузки, отличается и сфера применения. Простые датчики имеют минимальное оснащение и используются в несложных механизмах. Высокоточные устройства с высокой производительностью, защитой от температурного воздействия или взрывов применяются в промышленности и сложных технических устройствах.

Где может быть использовано устройство

Существует немало сфер и областей, в которых энкодеры нашли широкое применение. Достаточно рассмотреть наглядные примеры использования этих устройств, чтобы убедиться в их популярности:

  • В механизмах, работающих для нужд печатной промышленности, эти датчики контролируют вращение валов, по которым проходит бумага и краска.
  • На предприятиях, где ведется металлообработка, они задействованы при вращении валов с металлическими лентами.
  • При конструировании различных моделей и устройств в области робототехники помогают контролировать движение различных частей робота.
  • В автомобилестроении с помощью датчиков определяется угол поворота колеса.
  • Городское хозяйство нельзя представить без лифтов – для их работы также требуются энкодеры.
  • В пищевой и химической промышленности необходимо постоянно фасовать продукцию в больших объемах. Этим занимаются автоматизированные устройства, в которых установлены энкодеры.
  • Даже в домашних условиях можно легко найти предмет, в котором есть энкодер — это компьютерная мышь, которая есть практически в каждой квартире.
  • В различных электротехнических устройствах, например, сервомоторах, требующих высокой точности, также установлены датчики.

В зависимости от сферы использования и особенностей устройства, энкодеры могут решать различные задачи. Они измеряют угловые положения, помогают определить позиционирование объектов, детектируют положение в пространстве, могут проводить определение позиций с высокой точностью, а также измерять вращательные движения.

Преимущества и недостатки энкодеров.

К плюсам данных устройств можно отнести:

  1. Дешевизну и простоту в монтаже и применении.
  2. Минимальное количество ошибок во время подсчета импульсов, либо полное их отсутствие.
  3. Универсальность использования.
  4. Возможность определения направления вращения замеряемого объекта.

Существуют и определенные недостатки:

  1. Возможные ошибки при запуске системы и наличие ошибок во время работы. Особенно это будет проявляться в случае неверно выбранного типа энкодера и его монтажа.
  2. Наличие некоторых ограничений в плане обеспечения разрешающей способности – при повышении степени точности определения потребуется увеличивать и число рабочих каналов.
  3. Необходимость преобразования двоичного кода Грея в некоторых типах датчиков.

Стоит заметить, что эти и прочие недостатки с лихвой перекрываются удобством и универсальностью энкодеров.

Вы всегда можете приобрести энкодеры Omron и Sick по привлекательным ценам в нашем интернет-магазине.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *