Энкодеры широко используются в промышленности для управления движением, контроля положения и скорости электродвигателей. Полученная информация может использоваться электроникой управления движением для определения скорости вращения электродвигателя и рабочего органа, их местоположения, а также для выполнения корректировок в случае отклонения от заданных параметров.
Вот сравнение шести наиболее часто используемых типов энкодеров.
Оптические энкодеры
Оптические энкодеры используют наличие или отсутствие света для определения положения вала. Говоря простым языком — есть диск с прорезями в нем, который вращается вместе с валом. Когда диск проходит между источником света и фотоэлектрическим датчиком, отверстия регулярно пропускают свет к датчику или блокируют свет. Самые точные оптические энкодеры используют диски из стекла с черными линиями, чтобы блокировать свет, созданный точными методами фотолитографии. В датчиках положения с низким разрешением используются металлические диски со штампованными или протравленными отверстиями.
Стандартные оптические энкодеры имеют два или более фотодатчиков, смещенных на шаг 1/2 слота, что увеличивает разрешение с помощью технологии, называемой «квадратурное декодирование», которая встроена в большинство микроконтроллеров. Квадратура также позволяет устройству определять направление вращения вала. Квадратурное декодирование не добавляет задержки и обычно включает цифровой фильтр от электрических помех.
Разрешение энкодера обычно указывается изготовителем в строках на оборот или в ppr (импульсов на оборот). Это разрешение необработанных сигналов A и B, которые подаются в квадратурный декодер для определения количества импульсов / оборотов, а количество импульсов / оборотов такое же, как 4X линий / оборот.
Оптические энкодеры обычно имеют разрешение от 128 до 20000 импульсов / оборот. Некоторые улучшенные модели имеют более высокое разрешение. Средняя точность составляет ± 0,1 градуса.
Когда энкодеры любого типа используются в качестве устройств обратной связи в электроприводах на основе шагового двигателя, разрешение является важным, поскольку большое число полюсов шагового двигателя приводит к короткому электрическому циклу. Например, шаговый двигатель на 1,8 град. имеет 50 электрических циклов на один механический оборот, а разница между полным крутящим моментом и отсутствием крутящего момента составляет 1,8 градуса. 4 000 импульсов / оборот обеспечивает 20 дискретных отсчетов свыше 1,8 град., которого достаточно, чтобы сделать возможным обнаружение сваливания, предотвращение сваливания и поддержания текущего положения. Для сервопривода в режиме реального времени 20 000 импульсов на оборот — гораздо лучший выбор.
При применении к трехфазным бесколлекторным (бесщеточным) двигателям датчики часто включают в себя три дополнительных коммутационных сигнала (названных U, V и W), которые сообщают драйверу, когда следует переключать ток в обмотках статора.
Оптические энкодеры выдают мгновенный сигнал без задержки, поэтому вал электрической машины реально находится там, где сигнализирует датчик положения. Время задержки важно при использовании датчика для измерения скорости и для сервоуправления в реальном времени.
Магнитные энкодеры
Магнитные энкодеры стоят намного дешевле оптических и более компактны. Большинство из них используют аналоговые устройства на основе эффекта Холла, установленные на печатной плате. Датчики Холла приводятся в действие двухполюсным магнитом, установленным на конце вала. Датчики Холла выдают два сигнала переменного тока в противофазе с одним циклом на оборот вала. Эти сигналы интерполируются для создания 65 536 отсчетов на оборот. Однако эта интерполяция подвержена множеству ошибок, таких как электрические шумы в схемах, несовершенное намагничивание, биение вала, а также радиальное и осевое смещение магнита. Большинство магнитных энкодеров включают различные способы калибровки для компенсации как можно большего количества ошибок.
Поскольку магнитные энкодеры имеют один цикл на оборот вала, они, по сути, измеряют абсолютное положение в пределах одного оборота вала.
Магнитным энкодерам всегда нужно время для интерполяции сигналов. Ранние магнитные энкодеры имели переменную (недетерминированную) задержку преобразования, что делало их непригодными для отслеживания скорости и положения в реальном времени на машинах с большим числом полюсов, таких как шаговые двигатели. Новые, более современные модели, имеют предсказуемые задержки преобразования. Зная это, центральный процессор может автоматически корректировать показания положения и скорости для компенсации задержки.
Сравнение оптических и магнитных энкодеров
Первый энкодер — это широко используемая ранняя 12-битная модель, которая зарекомендовала себя как надежная, недорогая и достаточно точная. Он включает квадратурный интерфейс ABZ, обеспечивающий 4096 импульсов на оборот, что упрощает работу с модулями интерфейса квадратурного энкодера (QEI), которые используются в микроконтроллерах и процессорах цифровых сигналов.
12-битный энкодер был сочтен неподходящим для некоторых приложений, потому что его низкое разрешение не дает достаточно информации для правильного регулирования скорости на низких скоростях.
Второй — 16-битный магнитный энкодер, использующий датчики Холла. Разрешение намного выше, чем у 12-битной модели (65 536 импульсов на оборот против 4096), но ее точность заметно хуже. Это связано с несколькими факторами. Во-первых, методика калибровки производителя не дает достаточно малой погрешности. Во-вторых, его интерполяция сигналов эффекта Холла по своей природе неточна. И в-третьих, отношение сигнал / шум заставляет счетчик изменяться по крайней мере на два бита, даже когда он не движется, что может создавать дизеринг и производный шум в сервоконтуре. При оценке такого типа датчика важно учитывать разрешение и точность. Никогда не основывайтесь на гипотезе — чем выше разрешение, тем выше точность.
В третьем магнитном энкодере используется магниторезистивная технология, которая по своей природе более точна и менее чувствительна к внешним воздействиям, чем модели с эффектом Холла. Внешние магнитные поля, в том числе поля самого двигателя, могут влиять на работу магнитных энкодеров.
Данный тип датчика предлагает выбор интерфейса ABZ или SPI (высокоскоростной синхронный последовательный). Интерфейс SPI является обычным для DSP и микроконтроллеров и предпочтительнее ABZ. Но использование SPI предотвращает отправку квадратурного сигнала ABZ на другое устройство (например, контроллер движения), поскольку два интерфейса используют одни и те же выводы интегральной микросхемы.
Емкостные энкодеры
Емкостные энкодеры измеряют положение, отслеживая изменение емкости в цепи при вращении вала двигателя. Они невосприимчивы к внешним магнитным полям, а также к пыли и мусору. Емкостные энкодеры имеют разрешение до 16 384 импульсов / оборот (14 бит) и точность ±0,2 градуса.
Емкостные энкодеры выдают стандартный квадратурный сигнал AB, подходящий для использования в реальном времени с большинством микроконтроллеров и большинством стандартных драйверов, которые включают опцию обратной связи энкодера.
Емкостные энкодеры более устойчивы к электромагнитным помехам, чем магнитные энкодеры, и допускают большее загрязнение, чем оптические.
Многооборотные энкодеры
Многооборотные энкодеры полезны для отслеживания положения вала при выключенном контроллере или электроприводе. Например, если предприятие или технические специалисты не хотят возвращать систему в исходное состояние при каждом включении, необходимы абсолютные многооборотные энкодеры. (Если необходимо отслеживать положение только при включенном драйвере, драйвер отслеживает положение, и абсолютный многооборотный энкодер не нужен.)
Есть три распространенных типа:
Многооборотные энкодеры с питанием от батареи используют батарею, чтобы поддерживать в рабочем состоянии необходимые электрические схемы во время отключения питания для отслеживания положение энкодера через несколько оборотов. Обратной стороной является то, что информация о местоположении будет потеряна, когда батарея разрядится. Резервный аккумулятор может значительно увеличить габариты датчика положения.
Энкодеры с редуктором используют вторичный энкодер, который перемещается на один или несколько отсчетов каждый раз, когда первичный энкодер совершает один оборот. Энкодеры с редуктором не требуют батареи, но являются сложными и дорогостоящими, а шестерни могут со временем изнашиваться.
Энкодеры с накоплением энергии Wiegand используют эффект Виганда, чтобы генерировать электрический импульс каждый раз, когда датчик завершает оборот. Эта энергия постоянна независимо от того, насколько медленно вал вращается, когда он проходит магнитный переход, поэтому этот импульс можно надежно использовать для питания небольшой цепи и подсчета оборотов.
В датчиках положения на основе эффекта Виганда используется первичный магнитный энкодер, обеспечивающий 131072 отсчета на оборот (также называемый 17-битным, потому что 217 = 131 072). Счетчик оборотов — 16 бит, поэтому он может отслеживать 216 = 65 536 оборотов вала. Точность ± 0,1 град.
Интерфейс для энкодеров Weigand часто BISS-C. Некоторые микроконтроллеры имеют собственный интерфейс BISS-C, поэтому для преобразования сигнала используется внешнее устройство FPGA.
Энкодеры широко используются в приложениях управления движением с обратной связью. Выбор лучшего датчика положения для вашего приложения требует опыта, который часто можно найти у поставщиков.
Эффект Виганда
Эффект Виганда — это нелинейный магнитный эффект, названный в честь его первооткрывателя Джона Р. Виганда. Данное явление происходит в специально отожженной и закаленной проволоке, называемой проволокой Виганда.
Проволока Виганда изготавливается из низкоуглеродистого викаллоя, ферромагнитного сплава кобальта, железа и ванадия. Вначале проволока отжигается. Она притягивается к магнитам, и силовые линии магнитного поля «втягиваются» в провод. Но проволока сохраняет лишь очень небольшое остаточное магнитное поле, когда внешнее поле снимается.
Затем проволоку скручивают и раскручивают для холодной обработки внешней оболочки, пока сердечник остается мягким. Затем проволока выдерживается. Это делает магнитную коэрцитивную силу внешней оболочки намного выше, чем у внутреннего сердечника. Высокая коэрцитивность оболочки позволяет ей сохранять внешнее магнитное поле, даже когда первоначальный источник поля удален.
Теперь на проводе будет наблюдаться большой магнитный гистерезис: если к проводу поднести магнит, внешняя оболочка с высокой коэрцитивной силой удерживает магнитное поле от внутреннего мягкого сердечника. Но если магнитное поле превышает заданный порог, весь провод — как внешняя оболочка, так и внутренний сердечник — быстро меняет полярность намагничивания. Это переключение (эффект Виганда) происходит за несколько микросекунд.
Сравнение энкодеров
- Оптические энкодеры предлагают высокое разрешение и являются наиболее точными. Они невосприимчивы к электромагнитным помехам, но подвержены загрязнению.
- Магнитные энкодеры компактны и дешевы. Они восприимчивы к электромагнитным помехам, если не экранированы должным образом. Разрешение хорошее. Точность зависит от производителя. Отношение сигнал / шум может снизить используемое разрешение.
- Емкостные энкодеры имеют низкую стоимость и не подвержены значительному воздействию грязи, пыли и электромагнитных помех. Точность хорошая.
- Абсолютные многооборотные энкодеры полезны, когда необходимо всегда отслеживать положение вала, даже когда в системе отключено питание.
