Энкодеры – это датчики положения, которые используются в промышленных электроприводах для получения информации о скорости вращения электродвигателя и о положении вала ротора. С помощью энкодера реализуется обратная связь по скорости или положению электрической машины, которая заводится в систему автоматического управления и используется в алгоритме управления механизмом. Данная связь является костяком системы автоматизированного электропривода.
Много различных интерфейсов связи разрабатывалось для энкодеров на протяжении последних лет. Но выбор интерфейса связи ставит перед разработчиком ряд факторов – экономическая эффективность, точность, безопасность. Решения, описанные в этой статье, пытаются максимально оптимизировать удовлетворение этих требований.
Принцип работы энкодера
Энкодер – это электромеханическое устройство, которое генерируют выходной электрический сигнал пропорциональный скорости вращения вала электрической или механической машины. Существуют линейные и вращающиеся энкодеры. Данная статья рассматривает вращающиеся энкодеры, используемые в связке с электродвигателями. Датчик крепится к валу электрической машины и генерирует электрические сигналы, которые пропорциональны скорости вращения электродвигателя. Энкодер также можно использовать и для определения положения вала машины в пространстве.
Вращающиеся датчики положения бывают двух видов: инкрементальный и абсолютный. Инкрементальные энкодеры обеспечивают импульсный выход в виде прямоугольных импульсов, которые используются для указания скорости вращения вала, а также могут быть использованы для расчета его положения. Большинство энкодеров генерируют две прямоугольные волны, сдвинутые друг относительно друга на 900. Этот сдвиг позволяет определить направление вращения вала. Более того, маркер или индекс обычно генерируется один за оборот, что позволяет создать контрольную точку при подсчете импульсов.
Абсолютные энкодеры параллельно генерируют на выходе двоичный код, который указывает точное положение в один оборот вала. Использование двоичного кода Грея сводит к минимуму ошибки в определении положения. Также абсолютные датчики положения могут вырабатывать сигналы прямоугольной, синусной или косинусной аналоговой формы. Выработанные sin/cos сигналы обеспечивают более точное определение положения.
Вращающиеся энкодеры могут генерировать выходной сигнал несколькими способами: механическим, емкостным, магнитным или оптическим методом. Наиболее распространёнными являются оптические датчики положения, так как они генерируют наиболее точный сигнал. Состоит он из стеклянного диска, на который наносят непрозрачные полоски. На данный диск направлен светодиод, который его освещает, и фотодиод или фототранзистор, принимающий и обрабатывающий световой сигнал светодиода. При вращении пара свето- и фотодиод генерируют импульсы, частота которых пропорциональна скорости вращения вала машины. Эти сигналы преобразуются в последовательный формат для передачи в микроконтроллер, который осуществляет управление механизмом.
Интерфейсы абсолютного энкодера
Ряд последовательных интерфейсов доступен для абсолютных датчиков положения. Большинство из них являются собственностью компаний занимающихся производством энкодеров. На рынке укрепилось несколько наиболее популярных видов интерфейсов, таких как: BiSS, EnDat, HIPERFACE и SSI. Давайте подробней рассмотрим каждый из них.
BiSS
Двунаправленный синхронный последовательный интерфейс (BiSS) был разработан IC-Haus, Германия. Интерфейс использует соединение точка-точка от датчика к контроллеру. Шесть проводных линий находятся в экранированном кабеле: одна дифференциальная пара для тактового сигнала и вторая дифференциальная пара для последовательных данных кодера.
Данные передаются синхронно с тактовым сигналом. Тактовая частота определяется длиной кабеля, который может быть от 10 до 1000 метров. Максимальная тактовая частота составляет 10 Мбит / с на 10 метров. Доступна компенсация задержки для кабеля большой длины.
Интерфейс BiSS, соответствует стандарту TIA / EIA RS-422 и имеет два дополнительных провода источника питания постоянного тока к кодеру. Он аппаратно-совместимым с интерфейсом SSI, который описан ниже.
EnDat
Протокол кодировщик данных является собственностью Heidenhain, Германия. Он реализует соединение точка-точка с восемью проводами. Одна дифференциальная пара для данных, вторая пара для часов, остальные четыре провода используются для питания датчика. Передача данных происходит синхронно с тактовыми импульсами и с тактовой частотой, зависящей от длины кабеля. Максимальная скорость составляет 16 Мбит / с, в то время как типичная скорость на 100 метров составляет 8 Мбит / с. Он использует стандарт интерфейса TIA / EIA RS-485.
HIPERFACE
HIPERFACE DSL (Digital Servo Link) был разработан Max Stegmann GmbH, Германия и SICK, США. Последовательный интерфейс точка-точка использует стандарт в TIA / EIA RS-485. Тем не менее, этот протокол также поддерживает подключение шины из нескольких кодеров.
Интерфейс использует восьмижильный экранированный кабель типа витая пара длиной до 150 метров. Одна дифференциальная пара используется для данных, две пары несут аналоговые сигналы sin / cos, сгенерированные кодером. Sin/cos сигналы оцифровываются 12-разрядными АЦП и используются для обеспечения измерения положения с более высоким разрешением. Две дополнительные линии питают энкодер.
Передача данных производится в асинхронном режиме. В стандартной версии, интерфейс поддерживает скорость передачи данных 38,4 кбод. Другой вариант HIPERFACE может передавать 9,375 Мбод до 100 метров.
Ключевой особенностью этого интерфейса является то, что он может нести сигналы обратной связи в одном кабеле, что исключает необходимость дополнительного кабель. Это делается путем наложения сигналов данных обратной связи на сигнал питания постоянного тока.
SSI
Один из самых старых и оригинальных интерфейсов энкодера представляющий собой синхронный последовательный интерфейс, разработанный в Европе. Он предшествует всем интерфейсам, описанным выше. SSI использует шестижильный кабель с одной парой для данных, одной парой для таймера, и одной парой питания постоянным током. Скорость передачи данных может составлять до 1,5 Мбит / с. Некоторые SSI энкодеры поставляются с sin / cos сигналами над другими двумя парами.
Реализация интерфейса
Как разработчик вы можете создать свой собственный интерфейс, основанный на удобных для вас интегральных микросхемах ИС. Однако в случае если у вас нет желания или времени разрабатывать свой собственный интерфейс, для быстрого и простого подключения энкодера вполне подойдет один из интерфейсов компании Texas Instruments. Одним из таких решений является TIDA-00179, который является универсальным интерфейсом и может быть использован с любым из описанных выше интерфейсов.
На первом рисунке показана схема данной системы. Конструкция поддерживает стандартные напряжения питания постоянным током от 15 В до 60 В (как правило, 24 В). Встроенные компоненты питания предназначаются для питания датчика положения напряжениями 5,25 В или 11 В. Также предусмотрена защита от перенапряжений, пониженного напряжения, перегрузки по току и короткого замыкания. Приемопередатчики RS-485 передают и обрабатывают данные, поступающие от датчика вращения. Данная конструкция способна поддерживать вариант исполнения с длиной кабеля до 100 метров.
Другим доступным вариантом является TIDA-00202 для HIPERFACE энкодеров. Подобно Tida-0179, он обеспечивает питания датчика 11 В от номинального входного напряжения 24 В. Также включен приемопередатчик RS-485 для передачи данных. Поддерживается аналоговый выход sin/cos сигнала.
Выходной сигнал обрабатывается тремя путями: один путь это аналоговый сигнал, второй преобразует сигнал в совместимый вариант с транзисторно-транзисторной логикой ТТЛ, третий путь – это оцифровка сигнала двумя 12-битными АЦП в интерфейс SPI с последующей передачей на обработку микроконтроллеру. Данная конструкция поддерживает длины кабелей от 50 до 150 метров. Разновидность этой конструкции является TIDA-00176, который является только интерфейсом для sin / cos энкодеров.
