Энкодеры. Устройство и принцип работы

Энкодеры. Устройство и принцип  работы.

 

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

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

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

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

Преобразователи угол-код  практически полностью вытеснили  применение сельсинов.

 

 

 

 

 

Инкрементальные энкодеры

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Абсолютные энкодеры

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

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

Абсолютный энкодер относится  к типу энкодеров, который выполняет  уникальный код для каждой позиции  вала. В отличие от инкрементного  энкодера, счетчик импульсов не нужен,т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал как  во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера отличается от диска пошагового энкодера, так  как имеет несколько концентрических  дорожек. Каждой дорожкой формируется  уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

 

Рис. 1. Кодовый диск абсолютного  энкодера

 

Абсолютный энкодер не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения  в начальную позицию. Сигнал абсолютного  энкодера не подвержен помехам и  для него не требуется точная установка  вала. Кроме того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером  если, например, вал вращается слишком  быстро, правильный угол вращения будет  зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный энкодер устойчив к вибрациям.

 

Однооборотный энкодер   

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

Рис. 2. Устройство однооборотного энкодера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Многооборотный энкодер   

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

Рис. 3. Устройство многооборотного  энкодера

 

 

 

 

 

 

Оптические энкодеры

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

Магнитные энкодеры

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

Механические и оптические энкодеры с последовательным выходом

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

Крепление

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

 

 

 

 

 

 

 

 

Двоичный код   

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

Построение ДК осуществляется по следующему принципу:

   

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

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

 

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

 

   

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Код Грея   

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

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

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

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

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

 

 

 

 

Десятичный код	Двоичный код	Код Грея
	23     22     21     20
0   1   2   3	0        0        0       0   0        0        0       1   0        0        1      0    0        0        1       1	0        0        0        0   0        0        0        1   0        0        1        1   0        0        1        0
4   5   6   7	0        1        0       0   0        1        0       1   0        1        1       0   0        1        1       1	0        1       1        0   0        1        1        1   0        1        0        1   0        1        0        0
8   9   10   11	1        0        0       0   1        0        0       1   1        0        1       0   1        0        1       1	1        1        0        0   1        1        0        1   1        1        1        1   1        1        1        0
12   13   14   15	1        1        0       0   1        1        0       1   1        1        1       0   1        1        1       1	1        0        1        0   1        0        1        1   1        0        0        1   1        0        0        0