Главная » Консультация » Зачем в приводе энкодер и оптическая линейка. Подключение оптического энкодера к Arduino. Устойчивость к осевым биениям

Зачем в приводе энкодер и оптическая линейка. Подключение оптического энкодера к Arduino. Устойчивость к осевым биениям

Довольно часто при печати можно наблюдать сдвиг части изображения по горизонтали появляющийся через равные промежутки на листе. Многие наблюдая данную проблему начинают выполнять выравнивание печатающей головки но это зачастую не помогает. Так в чем же кроется причина дефекта? Дело в том что почти в каждом печатающем устройстве (за исключением некоторых аппаратов десятилетней давности) есть позиционирующая лента , так называемый, "энкодер" (или энкодерная лента ). Она предназначена для того, что бы устройство всегда "знало" где в данный момент находится каретка принтера.

Принцип действия заключается в том, что на позиционирующей ленте на небольшом расстоянии друг от друга нанесены полоски. А на каретке принтера находится оптопара (датчик который "видит" данные полоски). Таким образом если позиционирующая лента будет в каком либо месте запачкана чернилами или смазкой, то каретка "проскочит" данный участок и получится горизонтальное смещение при печати. Понятно что в таком случае позиционирующую ленту надо очистить. Для этого необходимо открыть крышку принтера, отсоединить шнур питания (для того что бы вы могли перемещать каретку принтера рукой). Найти позиционирующую ленту - полупрозрачная лента с поперечными рисками, обычно располагается над направляющей по которой перемещается каретка.

Ленту необходимо протирать не прилагая усилий или придерживая ее рукой так как она очень легко соскакивает со своих креплений и для того чтобы поставить ее на место скорее всего придется разбирать устройство. Для протирки обычно используется любой тампон (туалетная бумага, безворсовая салфетка и т.п.) и спирт ("Мистер-Мускул", жидкость для промывки картриджей и т.п.).

Следует заметить, что данная неисправность может проявляться не только горизонтальными разрывами или смещением при печати. Из симптомов данной проблемы можно отметить сообщение принтера об ошибке позиционирования каретки (Canon), сообщении о посторонних предметах внутри устройства (Epson) и даже самопроизвольный захват бумаги с последующим сообщением о ее замятии (Canon).

Также стоит обратить на энкодерный диск , который находится в крайней левой части устройства (Canon) - єто диск, сообщающийся путем зубчатіх передач (шестеренок) с двигателем. На данном диске также есть отметки (риски), по которім датчик ориентируется и определяет продольное положение листа. Если этот диск загрязнен, то может появиться проблема следующего характера: лист бумаги будет с разрывами, т.е. на листе могут появиться поперечные полосы - механизм протяжки бумаги, ориентируясь по этому диску, протягивает лист, а если диск загрязнен, то лист будет проходить, как бы рывками.

Очистка спиртом энкодерной ленты пожет только в том случае, если лента просто загрязнена и не имеет сильных механических повреждений, на которые реагирует оптопара. В противном случае можно попробовать развернуть ленту задом наперед. В самом крайнем случае ленту придется заменить.

Справедливости ради стоит отметить, что энкодерные ленты, как правило, стоят на принтерах где перемещение каретки происходит за счёт двигателя постоянного тока (два провода), шаговые двигатели в основном такой проблемы не имеют не имеют. Шаговые более энергоёмкие и больше подвержены неверному позиционированию при изменении веса печатающей головки, в частности лёгкая или очень тяжёлая СНПЧ или изменении коэффициента трения каретки при скольжении по направляющей. Там возможны другие проблемы, такие как, выход из строя выходных транзисторов, закорачивание обмоток двигателей.

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.

Принцип действия энкодеров

Датчики угловых перемещений служат для измерения основных кинематических параметров работы электропривода: скорости и положения вала. В недалеком прошлом для большинства подобных задач измерения использовались тахогенераторы постоянного и переменного тока или сельсины.

Вот что констатируют в своей работе украинские исследователи Курский А. С., Кайдаш Р. Ю. и Денисенко Д. А. «В качестве высокоточных датчиков использовались прецизионные тахогенераторы постоянного и переменного тока, но и они с трудом обеспечивали заданные требования и к тому же имели массу недостатков. Исключить множество недостатков свойственных аналоговой технике помогло внедрение дискретных импульсных датчиков. Фотоимпульсные датчики имеют большие преимущества практически по всем параметрам (точности, габаритам, надежности, экономичности)… Использование фотоимпульсных датчиков расширяет возможности работы электропривода… «*.

В подавляющем большинстве современных систем регулируемого привода, позиционирования и контроля углового положения используются инкрементные и абсолютные энкодеры. Определенный рынок, в связи с некоторыми техническими особенностями остается за резольверами (в частности из-за их толерантности к высоким и низким температурам: от -50 о С и до +150 о С).

Принцип работы фотоимульсных энкодеров - цифровой. Свет проходит от группы светодиодов к группе фотодиодов через прозрачный диск с нанесенными метками. Абсолютный энкодер имеет уникальную комбинацию меток для каждого углового положения, инкрементный - более прост: одинаковые метки равномерно распределены по всему радиусу диска.

Обычно энкодер имеет также т.н. „нулевую метку“, одну - на полный оборот диска. Эта метка имеет калибровочную функцию и не всегда требуется для простых задач измерения скорости. При вращении диска, механически связанного с приводным валом, каждое прохождение метки через светодиодную пару генерирует импульс. Эти импульсы в дальнейшем обрабатываются с помощью электронных устройств (программируемых логических контроллеров, преобразователей постоянного и переменного тока для электродвигателей, счетчиков).

Абсолютные энкодеры иногда имеют встроенный редуктор, который позволяет датчику не только определять точное значение углового перемещения в пределах одного оборота вала, но и отсчитывать количество оборотов вала (обычно с дискретностью 12 бит, т.е. 4096 оборотов вала). Данные абсолютные энкодеры, называемые „абсолютные многооборотные“, часто используются в прецизионных червячных приводах подачи.

Энкодер

Программа ";Энкодер"; предназначена для измерения относительного положения (перемещения), скорости и направления перемещения при помощи оптических датчиков перемещения (энкодеров), подключенных к входным каналам модулей АЦП и анализаторов спектра .

На базе оптических датчиков создаются датчики линейных и угловых перемещений. Точности таких датчиков могут быть от 1 мкм до 1 мм при длине измерительной базы от 8 мм до 3 м. Датчики угловых перемещений могут иметь от 100 до 10000 маркеров на один оборот, т.е. разрешение может быть до 5 минут.

Оптическая технология предложила ряд классических способов для построения энкодера - датчика, представляющего информацию о движении, положении или направлении либо непосредственно в цифровой форме, либо генерирующего последовательность импульсов, из которой после оцифровки может быть сформирован цифровой код.

Принцип работы энкодеров проиллюстрирован на рисунке 1. Оптический энкодер состоит из тонкого оптического диска и стационарного блока - измерительной головки, включающей в себя источник света и фотодетектор. Оптический диск включает поверхность из прозрачных и непрозрачных участков. Маркерами могут быть, например, отверстия в металлическом листе или метки на стеклянном диске. При вращении диска, в зависимости от его типа, маркеры пропускают или перекрывают луч света, направленный от светового источника к фотоприемнику.

Фотодетектор генерирует сигнал частотой, равной частоте следования кодовых элементов, в цифровой форме или аналоговый импульсный сигнал, который также может быть усилен и оцифрован. При добавлении второй пары ";светодиод-фототранзистор"; с угловым смещением относительно первой, соответствующим четверти периода сигнала, может быть получена вторая последовательность импульсов - канал Б с фазовым смещением относительно канала А на 90°. Инкрементальный энкодер, который использует три оптических датчика, позволяет одновременно удваивать разрешение при измерении положения и скорости и детектировать направление.

Рисунок 1

Датчики линейного и углового перемещения подключаются к модулям АЦП напрямую. Для питания датчиков можно использовать выход генератора. Разрешение инкрементальных энкодеров измеряется в импульсах за оборот (pulses per revolution, ppr). В программе ";Энкодер"; пользователю предоставляется возможность выбора разрешения используемого энкодера (окно ";Разрешение, меток/е.и.";). ";Е.и."; - единица измерения, которая может быть выбрана из ряда ";мм, см, м, гр. (градусы), об. (обороты)"; или прописано вручную в окне ";Единица измерения";.

Инкрементальные энкодеры

Описание и принцип действия энкодеров

Цифровой оптический энкодер представляет собой преобразователь движения в последовательность цифровых импульсов. Декодированием последовательности битов цифровые импульсы можно преобразовать в относительные или абсолютные данные измерения. Энкодер может быть линейным или вращательным , причем последняя конфигурация встречается наиболее часто.

Выпускаются два вида вращательных энкодеров – абсолютные , в которых некоторое уникальное цифровое слово соответствует каждому положению поворота вала, и инкрементальные энкодеры, генерирующие цифровые импульсы по мере вращения вала и позволяющие замерять относительное положение вала. Именно поэтому инкрементальные энкодеры еще иногда называют относительными . Большинство вращательных энкодеров состоят из стеклянного или пластмассового кодирующего диска, на который фотопечатью нанесены радиальные дорожки. Цифровые импульсы генерируются, когда по радиальные линии прерывают направляемый на диск луч света.

Для правильного определения направления вращения вала вокруг оси необходимо установить два датчика – тогда направление можно узнать по последовательности восприятия датчиками каждой радиальной линии. Энкодеры с двумя датчиками называются квадратурными , поскольку два импульса смещены относительно друг друга на 90º.

Помимо оптических энкодеров применяются магнитные энкодеры , использующие датчик Холла и работающие по принципу регистрации этим двухканальным датчиком последовательности полюсов магнита, и магнитно-резистивные энкодеры , в которых используется магнитно-резистивный эффект - изменение сопротивления в зависимости от направления магнитного поля.

Магнитно-резистивный абсолютный энкодер

Компания Lenord+Bauer разработала магнитный абсолютный энкодер новой конструкции, обеспечивающей повышенную надежность и точность.

В конструкции использован новый ферромагнитный контурный диск, в котором запрессован вал энкодера. Диск считывают магниторезистивные GMR-датчики. На металлическом контурном диске сделаны лишь три инкрементальные дорожки, на которых имеются соответственно 64, 63 и 56 выступов. GMR-датчики сканируют эти три дорожки и генерируют синусоидальные сигналы, соответствующие положению выступов. Каждый оборот вала дает уникальное фазовое соотношение для выступов, которое анализируется по принципу Вернье для определения абсолютного положения. Таким образом, GEL 235 способен обеспечить 16-битовое разрешение за один оборот с точностью не ниже 0,1º, что является рекордным показателем для абсолютных энкодеров магнитного действия.

Подробнее см. на сайте производителя: Lenord

Многолетний опыт показывает: если крупное производство стоит, необходимые меры по локализации и устранению неисправности должны быть предприняты молниеносно. Очень часто причиной аварии является выход из строя электропривода, особенно если он не снабжён энергосберегающими системами автоматического контроля и регулирования скорости.
Производственно-техническая фирма ";Консис"; является интегратором решений в области регулируемого электропривода, а одним из важнейших его элементов, отвечающих за точность работы автоматики привода, являются датчики угловых перемещений, также называемые угловыми шифраторами или энкодерами (от английского encoder - ";кодирующее устройство";). Энкодеры имеют широкое применение в любой отрасли промышленности. Абсолютные и инкрементные энкодеры устанавливаются на приводы бумагоделательных и картоноделательных машин, пресспатов, упаковочных агрегатов, лесозаготовительных машин и деревообрабатывающих станков, продольно- и поперечнорезательных (рубительных) машин, прокатных станов, на приводы лифтов и подъёмных кранов, суппорты токарных станков и координатных столов - то есть на любой мощный электропривод. Настоящий материал посвящен энкодерам, производимым шведской компанией Leine&Linde, которая входит в пятерку ведущих мировых производителей датчиков угловых перемещений.

Принцип действия энкодеров
Цифровые фотоимпульсные энкодеры служат для измерения основных кинематических параметров работы электропривода: скорости и положения вала. В недалёком прошлом для этого использовались сельсины или тахогенераторы постоянного и переменного токов. Цифровые датчики имеют большие преимущества перед аналоговыми практически по всем параметрам. В большинстве современных систем регулируемого привода для позиционирования и контроля углового положения используются инкрементные и абсолютные энкодеры.
В фотоимпульсных датчиках свет проходит от излучающих светодиодов к фотодиодным светоприёмникам через прозрачный диск с метками. Абсолютный энкодер имеет уникальную комбинацию меток для каждого углового положения, а на инкрементном одинаковые метки распределены по диску равномерно. При прохождении меток через светодиодную пару генерируются импульсы, которые в дальнейшем обрабатываются с помощью электронных устройств (программируемых логических контроллеров, преобразователей постоянного и переменного токов для электродвигателей, счетчиков).
Основным же преимуществом абсолютного энкодера перед инкрементным является функция сохранения текущего значения углового перемещения вне зависимости от того, подано питание на датчик или нет.

Основные параметры, необходимые для выбора энкодера:
- количество импульсов на оборот (обычно от 1 до 5000);
- количество бит для абсолютных энкодеров (обычно 10, 12, 13, 25);
- диаметр вала или отверстия под вал;
- тип выходного сигнала (HTL, TTL, RS422, двоичный код и код Грея, SSI, Profibus DP, CAN…);
- напряжение питания;
- длина кабеля и тип разъёма;
- дополнительные требования по крепежу (необходимость муфты, монтажного фланца, крепёжной штанги и др.).

Точная центровка при установке датчиков - главное требование для обеспечения их долговременной службы. Исполнение энкодера с валом

(рис. 1) предусматривает установку прецизионной муфты с фланцем, которая должна демпфировать угловое отклонение, осевое биение и несоосность валов при установке. Жёсткое соединение валов может привести к существенному износу подшипников.
Исполнение энкодера с полым ротором

(рис. 2) исключает использование муфты и фланца. Энкодер монтируется непосредственно на нерабочий конец вала двигателя и с помощью штанги закрепляется на корпусе от проворота за валом.
Сейчас все большее распространение получают энкодеры с полым валом - их легче устанавливать, удобнее настраивать и обслуживать. Нужно отметить, что срок службы энкодера при правильном монтаже и подключении должен составлять не менее 50 000 часов, т.е. почти 6 лет.
В таблице приведено сравнительное описание двух систем крепления.

	Энкодеры с валом	Энкодеры с полым ротором
Установка	Требует большего количества принадлежностей и точной центровки; занимает больше места (муфта + вал датчика + корпус датчика)	Большого количества принадлежностей не требуется; требуется точная выверка вала, на который монтируется энкодер; занимает меньше места
Устойчивость к ошибке центровки	В зависимости от выбранной муфты очень ограниченная	Высокая на низких оборотах, ограниченная на высоких
Последствия неточной центровки	Нагрузка на подшипники и муфту, большая погрешность сокращает срок службы. Дает ошибку углового измерения в зависимости от типа муфты	Динамическая нагрузка на подшипники возрастает в геометрической прогрессии с увеличением скорости вращения вала. Ошибка измерения пропорциональна погрешности центровки и прямо с ней связана
Устойчивость к осевым биениям	Ограниченная	Очень хорошая

101 % качества
Чтобы наглядно охарактеризовать преимущества энкодеров Leine&Linde, расскажем о той последовательности тестов, которым подвергаются датчики.
Первое, что нужно проверить - его работоспособность, при этом замеряются все его электрические параметры. Диапазон частоты, точность сигналов, защита от короткого замыкания и максимальная нагрузка - лишь некоторые из них. После этого энкодер проходит тестирование в климатической камере, на вибрационном стенде и в лаборатории электромагнитной совместимости.
Климатическая камера поддерживает температуру от -60 до +150 °С. Каждый тест может включать до 20 температурных циклов. Виброустойчивость энкодеров проверяется по трём ортогональным осям, одна из которых параллельна валу датчика. К энкодеру применяются три вибрационных амплитуды: 100, 200 и 300 м/с2. Время стандартного теста - 3 цикла по 20 часов. Уровень вибрации, которому подвергается датчик во время тестов, значительно превышает уровень вибрации в нормальных условиях на производстве. Электромагнитная совместимость (ЕМС) - это, во-первых, требование устойчивости к электромагнитным помехам, а во-вторых - ограничения, накладываемые на оборудование как на источник электромагнитных помех. Энкодеры подвергаются также длительным испытаниям на износоустойчивость. Тест подразумевает работу на максимально допустимых скоростях в течение длительного времени.
Процесс тестирования продукции на заводе Leine&Linde - очень важная часть работы по обеспечению её качества и высокого технического уровня. Неудивительно, что поворотные шифраторы Leine&Linde славятся своим высоким качеством, прочностью и эксплуатационной надёжностью.
ПТФ ";Консис";, являющийся официальным дистрибьютором Leine&Linde в России, гарантирует, что любой энкодер из производственной линейки Leine&Linde может быть собран на заводе и отправлен заказчику в максимально короткие сроки, вплоть до одного рабочего дня.
Если и Вам требуется высокое качество, эксплуатационная надёжность и оптимальные сроки поставки, очень советуем попробовать работать с энкодерами Leine&Linde.

Андрей Боскис

AVR. Учебный Курс. Инкрементальный энкодер.

Энкодер это всего лишь цифровой датчик угла поворота, не более того.

Энкодеры бывают абсолютные - сразу выдающие двоичный код угла и инкрементальные, дающие лишь указание на направление и частоту вращения, а контроллер, посчитав импульсы и зная число импульсов на оборот, сам определит положение.

Если с абсолютным энкодером все просто, то с инкрементальным бывают сложности. Как его обрабатывать?

С Энкодера выходят два сигнала А и В, сдвинутых на 90 градусов по фазе, выглядит это так:

В оптическом же может быть два фонаря и два фотодиода, святящие через диск с прорезями (шариковая мышка, ага. Оно самое).

Механический подключается совсем просто центральный на землю, два крайних (каналы) на подтянутые порты. Я, для надежности, подключил внешнюю подтяжку. Благо мне на Pinboard для этого только парой тумблеров щелкнуть:

Оптический подключается в зависимости от типа оптодатчика, обычно там стоит два фотодиода с общим анодом.

Обычно, все пытаются работать с ними через прерывания INT, но этот метод так себе. Проблема тут в дребезге - механические контакты, особенно после длительного пользования, начинают давать сбои и ложные импульсы в момент переключения. А прерывание на эти ложные импульсы все равно сработает и посчитает что нибудь не то.

Метод прост:
Подставим нули и единички, в соответствии с уровнем сигнала и запишем последовательность кода:

A:0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
B:1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

Если A и B идут на одни порт контроллера (например на A=PB0 B=PB1), то при вращении энкодера у нас возникает меняющийся код:

11 = 3
10 = 2
00 = 0
01 = 1
11 = 3

Теперь остается только циклически опрашивать наш энкодер сравнивая текущее состояние с новым и на основании этого делающего выводы о вращении. Причем частота опроса должна быть такой, чтобы не пропустить ни одного импульса. Например, мой EC12 имеет 24 импульса на оборот. Вращать его предпологается вручную и я вряд ли смогу вращать его с космической скоростью, но решил все же замерить. Подключился к осциллографу, крутнул ручку что есть мочи:

Выжал меньше килогерца. Т.е. опрашивать надо примерно 1000 раз в секунду. Можно даже реже, будет надежней в плане возможного дребезга. Сейчас, кстати, дребезга почти нет, но далеко не факт что его не будет потом, когда девайсина разболтается.

Сам опрос должен быть в виде конечного автомата. Т.е. у нас есть текущее состояние и два возможных следующих.

// Эту задачу надо запускать каждую миллисекунду.

// EncState глобальная переменная u08 -- предыдущее состояние энкодера

// EncData глобальная переменная u16 -- счетный регистр энкодера

void EncoderScan(void)

New = PINB & 0x03; // Берем текущее значение

// И сравниваем со старым

// Смотря в какую сторону оно поменялось -- увеличиваем

// Или уменьшаем счетный регистр

switch(EncState)

if(New == 3) EncData++;

if(New == 0) EncData--;

if(New == 2) EncData++;

if(New == 1) EncData--;

if(New == 0) EncData++;

if(New == 3) EncData--;

if(New == 1) EncData++;

if(New == 2) EncData--;

EncState = New; // Записываем новое значение

// Предыдущего состояния

SetTimerTask(EncoderScan,1); // Перезапускаем задачу через таймер диспетчера

Почему я под счетчик завел такую большую переменную? Целых два байта? Да все дело в том, что у моего энкодера, кроме импульсов есть еще тактильные щелчки. 24 импульса и 24 щелчка на оборот. А по моей логике, на один импульс приходится четыре смены состояния, т.е. полный период 3201_3201_3201 и один щелчок дает 4ре деления, что некрасиво. Поэтому я считаю до 1024, а потом делю сдвигом на четыре. Получаем на выходе один щелочок - один тик.

Скоростной опрос на прерываниях
Но это механические, с ними можно простым опросом обойтись - частота импульсов позволяет. А бывают еще и высокоскоростные энкодеры. Дающие несколько тысяч импульсов на оборот, либо работающие на приводах и вращающиеся очень быстро. Что с ними делать?

Ускорять опрос занятие тупиковое. Но нас спасает то, что у таких энкодеров, как правило, есть уже свои схемы подавления дребезгов и неопределенностей, так что на выходе у них четкий прямоугольный сигнал (правда и стоят они совершенно негуманно. От 5000р и до нескольких сотен тысяч. А что ты хотел - промышленное оборудование дешевым не бывает).

Так что без проблем можно применять прерывания. И тогда все упрощается неимоверно. Настраиваем всего одно прерывание по внешнему сигналу. Например, INT0 настраиваем так, чтобы сработка шла по восходящему фронту. И подаем на INT0 канал А.

Пунктиром показано предполагаемое положение в произвольный момент. Красные стрелки это фронты по которым сработают прерывания при движении либо в одну, либо в другую сторону.

А в обработчике прерывания INT0 щупаем вторым выводом канал В. И дальше все элементарно!

Если там высокий уровень - делаем +1, если низкий -1 нашему счетному регистру. Кода на три строчки, мне даже писать его лень.

Конечно, можно такой метод прикрутить и на механический энкодер. Но тут надо будет заблокировать прерывания INT0 на несколько миллисекунд. И НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ нельзя делать это в обработчике.

Алгоритм прерывания с антидребезгом будет выглядеть так:

Зашли в обработчик INT0

Пощупали второй канал

Запретили локально INT0
Поставили на таймер событие разрешающее INT0 через несколько миллисекунд
Синтезатор предназначен для работы в устройствах с промежуточной частотой... можно встретить и иные именования энкодеров c идентичным принципом работы . Полярные конденсаторы электролитические, остальные...
Элементы и функциональные устройства систем автоматики
Конспект
... принципы их работы . Принцип работы амплитудного детектора поясняет рис.25. Устройство ... абсолютных перемещений, абсолютными энкодерами . Датчики положения, позиционирования... – не магнитные и т.д. Энкодеры выпускаются разных типов: тахометрические (...
Ооо «русучприбор»
Документ
Вала (на базе инкрементного энкодера ); тензометрический комплекс для... вала (на базе инкрементного энкодера ); тензометрический комплекс для... Лабораторный стенд для изучения устройства и принципов работы микропроцессорной системы бортового контроля...
Воспользуйтесь информацией для поиска работы подбора обучения и переобучения персонала! помощь в поиске работы и подборе персонала на сайте / для обучения и переобучения персонала можно обратиться в
Документ
... принцип работы пропорционального клапана давления; - Электрогидравлические усилители; - Конструкция и принцип работы пропорциональных дросселей и распределителей; - Конструкция и принцип работы ... исполнительными устройствами ; -Принципы ... энкодером ...

Функциональные возможности, конструктивные особенности, применяемые материалы и технологии изготовления абсолютных оптических и магнитных энкодеров вращения производства. Энкодер вращения — оптический или магнитный? Перевод публикации интервью в журнале «Конструктор» с соучредителем группы компаний Fraba на тему магнитной технологии.

На что обращать внимание при выборе энкодера?

Надежность энкодера — это очень важно!

От надежности работы энкодера зависит надежность и качество работы как вашего комплексного оборудования, так и производства в целом. Так, потери от непредвиденных остановок производственной линии могут оказаться несоизмеримо высокими по отношению к сэкономленным на приобретении энкодеров средствам. Сюда входят потери рабочего времени персонала, повреждение производственного материала и оборудования, затраты на диагностику/поиск неисправности, ремонт/замену вышедшего из строя энкодера и последующую юстировку и испытание/запуск оборудования.

При подборе энкодера также важно обращать внимание на его технические характеристики. Некоторые производители заявляют о высоком разрешении, однако очень часто подразумевается не физическое, а интерполированное разрешение. Разумеется, точности и допустимой нелинейности от таких энкодеров ожидать не приходится и, в ряде случаев, значения этих характеристик недостаточны для работы энкодера в составе прецизионного оборудования. При подборе энкодера очень важно сделать выбор в пользу проверенного качества.
Учитывая вышеперечисленное, мы настоятельно рекомендуем серьезно подходить к подбору энкодера. Бесперебойная работа оборудования в течение длительного времени и имидж Вашей компании только в Ваших руках!

Представленные в нашей программе поставок абсолютные оптические и магнитные энкодеры вращения разрабатываются и производятся компанией Posital Fraba, которая является мировым лидером в производстве сенсоров позиционирования и первооткрывателем метода абсолютного позиционирования угла поворота. Продукция немецкого производителя Posital Fraba отличается высшим качеством, гарантией которого явился многолетний (более 80-лет!) опыт производства абсолютных энкодеров. Для задач позиционирования − от автоматизации на производстве до мобильной техники − необходима точная и актуальная информация о положении того или иного механического узла.
Абсолютные энкодеры регистрируют малейшие перемещения и преобразуют их в цифровой сигнал. Способность абсолютных энкодеров точно и быстро регистрировать угловое и линейное перемещение делает их важнейшим связующим звеном между механикой и системой управления. В ассортименте Posital широкий спектр механических исполнений энкодеров со всеми распространенными видами интерфейсов.

Материалы, технологии и опыт производителя

Высокие требования к применяемым материалам с учетом разных коэффициентов температурного расширения, применение подшипников проверенных поставщиков, специальные технологии выборки люфтов — это все влияет на такие важные параметры энкодера, как плавность и легкость вращения вала, долговечность и стабильность механических параметров. Еще в 1970 году ФРАБА разрабатывает первый в мире опто-электронный датчик углового положения и начинает его производство. Большой опыт работы и современные технологии производства делают продукцию этой компании непревзойденной по таким важным параметрам как: высокая надежность, низкие цены и кратчайшие сроки поставок. С годами у производителя, особенно у производителя концентрирующегося на производстве узкой линейки продукции, в данном случае производстве абсолютных энкодеров, за плечами оказываются колоссальный опыт, свои наработки и секреты.
Ниже представлены технологии лежащие в основе абсолютных энкодеров производства Posital Fraba, их отличия и особенности.

Оптические энкодеры

Современный абсолютный оптический энкодер является чрезвычайно сложным устройством. При разработке оптического энкодера с высоким разрешением разработчики сталкиваются с большим количеством противоречащих друг-другу факторов, сильно влияющих на точность и надежность работы энкодера в течение длительного времени.

Принцип оптического измерения

Ключевым компонентом оптических энкодеров является установленный на валу кодовый диск. Этот диск изготовлен из прозрачного материала, имеющего концентрический рисунок из прозрачных и непрозрачных участков. Инфракрасный свет от светодиода попадает через кодовый диск на ряд фоторецепторов. По мере поворота вала уникальная комбинация фоторецепторов освещается светом, прошедшим сквозь рисунок на диске. Для многооборотных моделей существует дополнительный набор кодовых дисков, установленных в зубчатом механизме. По мере поворота главного вала датчика эти диски, находящиеся в зацеплении друг с другом, вращаются наподобие механизма счетчика километража. Положение вращения каждого диска контролируется оптически, а выход представляет собой информацию о количестве оборотов вала энкодера.

Функциональные возможности

Оптические абсолютные энкодеры IXARC POSITAL используют высокоинтегрированную технологию Opto-ASIC, обеспечивающую разрешение до 16 бит (65536 шагов) за оборот. Для многооборотных моделей диапазон измерения увеличивается за счет механически зацепляемых кодовых дисков до 16384 (214) оборотов.

Преимущества оптических энкодеров

Оптические энкодеры обеспечивают очень высокое разрешение и точность, а также превосходные динамические характеристики, и подходят для использования в зонах с интенсивными магнитными полями. Поскольку вращение кодовых дисков представляет собой полностью механический процесс, эти устройства не могут потерять информацию об абсолютном положении в случае временного отключения питания прибора. Резервные батареи не требуются!

Конструкция энкодера

Основной проблематикой является наличие в одной конструкции большого количества механических, оптических и электронных взаимодействующих, но совершенно разных по природе компонентов. Так, механика имеет склонность к механическому износу. А на качество оптических элементов влияют в первую очередь такие факторы, как загрязнение, тускнение, изменение интенсивности излучения. Высокое разрешение энкодера требует использования оптического диска с высокой плотностью нанесенного на него трафарета. Для оптического/физического разрешения (а не интерполированного!) в 12 бит требуется диск с секторами делящими окружность на 4096 частей/меток. Чем компактнее энкодер и меньше диаметр диска, тем выше требования к оптике энкодера. Для распознавания такой плотности рисунка на диске необходимо располагать считывающую матрицу в непосредственной близости к диску. Минимальный зазор между вращающимся диском и считывающей матрицей предъявляет очень высокие требования к механике. Минимальное биение/люфт вала приведет к соприкасанию при вращении диска с считывающей матрицей и, как следствие, к повреждению нанесенного на диск трафарета. Износ механических частей энкодера или негерметичность корпуса ведет также к загрязнению оптики продуктами износа и попадающей снаружи пыли и, как следствие, искажению результатов измерения. Оптический диск является важным узлом энкодера. Под воздействием времени, перепадов температуры и мн. др. факторов свойства материала диска могут со временем меняться, например тускнеть и деформироваться. Первый фактор, в сочетании с теряющим интенсивность светодиодной подсветки, резко может снизить надежность работы и/или вызвать полный отказ в работе. Второй фактор может вызвать опасность соприкасания диска с матрицей при вращении вала энкодера с теми же вытекающими последствиями.

Магнитные энкодеры

Принцип магнитных измерений

Магнитные энкодеры определяют угловое положение с использованием магнитно-полевой технологии. Постоянный магнит,установленный на валу энкодера, создает магнитное поле, которое измеряется датчиком, формирующим уникальное значение абсолютного положения.

Инновационная многооборотная технология

Многооборотные магнитные энкодеры IXARC POSITAL используют инновационную технологию для отслеживания количества оборотов, даже если оборот произошел при отключенном питании системы. Для выполнения этой задачи энкодеры преобразуют вращение вала в электрическую энергию. Технология основана на эффекте Виганда: когда постоянный магнит на валу энкодера поворачивается на определенный угол, магнитная полярность в „проводе Виганда“ резко меняется, создавая кратковременный всплеск напряжения в обмотке, окружающей провод. Этот импульс отмечает поворот вала, а также обеспечивает питание электронной цепи, регистрирующей данное событие. Эффект Виганда происходит в любых условиях, даже при очень медленном вращении, и исключает потребность в резервных батареях.

Преимущества магнитных энкодеров

Магнитные энкодеры являются надежными, долговечными и компактными. Конструкция, не требующая использования батарей и не имеющая зубчатых передач, обеспечивает механическую простоту и более низкую стоимость по сравнению с оптическими энкодерами. Их компактные габариты позволяют использовать их в очень ограниченном пространстве.

Энкодер вращения — оптический или магнитный?

Этот вопрос однажды задали соучредителю группы компаний «Fraba» (он же директор компании Posital) в интервью журнала «Конструктор» при обсуждении темы внедрения новой магнитной технологии при производстве энкодеров вращения.
Ниже перевод публикации этого интервью.

Что говорят специалисты в отношении новой магнитной технологии?

Перевод публикации интервью с соучредителем группы компаний «Fraba» по теме внедрения новой магнитной технологии при производстве энкодеров вращения

Энкодеры вращения преобразуют угол поворота вала в электрический сигнал и работают на оптическом или магнитном принципе действия. Оптические энкодеры измеряют точнее, а магнитные по конструкции более стабильные и прочные — таково распространенное мнение. Соответствует ли это действительности на самом деле? Редакция журнала „Конструктор“ взяла интервью у соучредителя группы компаний «Fraba» и компании-производителя «Posital» с 50-и летним стажем разработки и производства абсолютных энкодеров из г. Кёльна.

Господин Лезер, являются ли на самом деле оптические энкодеры точнее магнитных?

Однозначно нет. В настоящее время оптические энкодеры больше не опережают магнитные по точности. Технология магнитных энкодеров в последние годы позволила полностью перекрыть разрыв с оптической в отношении всех важных электрических параметров. Выпускаемые сегодня магнитные энкодеры уже достигают разрешения 16 бит при точности 0,09° и, таким образом, такие параметры, которые раньше были достижимы только оптическими энкодерами. Касательно оптических энкодеров мы говорим с позиции производителя абсолютных оптических энкодеров с 50 летним опытом работы. Оптические энкодеры мы производим начиная с 1963 года и это всегда являлось нашей основной специализацией. В 2013 году произошел настоящий переворот в соотношении технологий, когда был представлен магнитный энкодер достигающий по всем ключевым параметрам традиционные оптические системы.

Что позволило так значительно повысить возможности магнитных энкодеров?

Залогом успеха явился технологически качественный скачок, в котором важную роль сыграла удачная комбинация аппаратной и программной части магнитной системы.
Магнитные энкодеры нового поколения базируются на датчиках Холла, аналоговые сигналы которых обрабатываются быстрым 32-битным микроконтроллером в режиме реального времени. Сложные программные алгоритмы, разработанные специально для новых хай-тек чипов нашими IT-специалистами, обеспечивают прецизионную калибровку и гарантируют высочайшую точность новой серии магнитных энкодеров.

А в технологии оптических энкодеров имеется также прогресс в дальнейшем развитии, например, в отношении чувствительности к влажности, загрязнению, к ударным нагрузкам и вибрациям?

Также и здесь есть дальнейшее развитие, однако без значительных скачков достигаемых результатов. Принципиально эта технология применяется в таком виде, как она существовала 50 лет назад. Сегодняшние оптические энкодеры меньше в размерах, имеют большее разрешение и частично механически прочнее и стабильнее прошлого поколения энкодеров. Однако в основе лежащая проблематика в отношении чувствительности к влажности, загрязнению и механическим воздействиям остаются и сегодня. Оптические системы по своей природе чувствительны ко всему, что может препятствовать надежной передаче сигнала от источника света на пути к чувствительным фото-рецепторам. В этом отношении магнитные энкодеры всегда были впереди. Будь то пыль, туман или сильная тряска — ничто не в состоянии так быстро нарушить работоспособность магнитного энкодера.

И все таки, имеются ли случаи применения, где оптические энкодеры предпочтительнее магнитных, например, в отношении устойчивости к магнитным полям?

Помехоустойчивость магнитных энкодеров у нас под надежным контролем благодаря специальным механизмам экранирования от магнитных полей. Даже в непосредственной близости от таких сильных источников помех, как электронного тормоза электродвигателя, наши магнитные энкодеры работают без проблем. Таким образом также и в вопросе магнитной устойчивости оптические энкодеры уже не имеют никаких преимуществ. Мы рассматриваем оптические энкодеры лишь в качестве дорогого решения для задач, где необходимо экстремально высокое разрешение, скажем, в 20 бит в обороте. В большинстве же случаев точность магнитных энкодеров предостаточна.

Какая технология энкодеров дает больше свободы машиностроителям в проектировании?

Магнитные энкодеры предлагают ощутимо больше возможностей и свободы в проектировании. Они значительно компактнее и легче оптических, которые в многооборотных моделях значительно массивнее магнитных за счет наличия в конструкции достаточно габаритного редуктора состоящего из нескольких оптических дисков. Магнитные энкодеры благодаря своей компактности позволяют их встраивать в очень ограниченные пространства машины или другого оборудования. Ну и очередной не малозначимый положительный фактор — более бюджетная цена. Одним словом совсем не удивительно, что магнитные энкодеры являются сейчас основным трендом и это признает большинство наших конкурентов.

Сопутствующие товары и статьи

Сегодня оптические энкодеры (датчики положения вала) широко используются во многих областях электроники и робототехники. Они применяются в устройствах для определения положения вала двигателя, системах управления скоростью, принтерах, станках с ЧПУ и т.д.

Плату Arduino также можно научить работать с оптическим энкодером, что позволит реализовать больше интересных и практичных устройств.

Основным элементом простого оптического энкодера является оптопрерыватель (фотопрерыватель), состоящий из инфракрасного светодиода и фототранзистора, которые размещены друг напротив друга в пластмассовом корпусе. При блокировании непрозрачной частью диска света, излучаемого светодиодом, проводимость фототранзистора меняется. Это изменение может быть определено дискретными компонентами или микроконтроллером.

Поскольку нам нужно создавать импульсы на входе фототранзистора, то необходим диск с прозрачными частями или вырезами. Такой диск можно сделать из прозрачного акрила, наклеив на него распечатанный на принтере рисунок, который представлен ниже. Также можно вырезать соответствующую фигуру из непрозрачного акрила.

Следует заметить, что ширина щели и ширина непрозрачных частей являются важными параметром диска. Для каждой модели оптопрерывателя желательно подобрать рекомендуемую ширину соответствии с документацией на это прерыватель. При этом ширину лучше взять с запасом. Например, если рекомендуемая ширина 1 мм, то ширину непрозрачных полос и щелей лучше сделать 2 мм. Если частота вращения диска составляет 60 оборотов в минуту, то за одну секунду диск повернется на один оборот. Если диск имеет 36 полос, то частота импульсов составит 36 Гц, что может быть легко обработано фотопрерывателем.

Аппаратная часть

Для начала нужно собрать представленную ниже схему, которая состоит из Arduino и оптопрерывателя с обвязкой. Резистор R2 является подтягивающим. Значение резистора R1 зависит от того, какой прерыватель вы используете. К выводу D13 подключается светодиод, который срабатывает при прерывании луча. D12 представляет собой вспомогательный выход, который может быть использован для мониторинга сигнала энкодера на экране осциллографа.

Проверка

После подключения электроники и прошивки Arduino вставьте диск в выемку оптопрерывателя. Подключите осциллограф к D12 и вращайте диск. Если нет под рукой осциллографа, то наблюдайте за подключенным к D13 светодиодом. В данном случае вращайте диск медленно, чтобы импульсы были визуально заметны.

const int encoderIn = 8; // вход для прерывателя const int statusLED = 13; // выход для индикации const int pulseOutput = 12; // выход для осциллографа int detectState=0; // переменная для чтения состояния энкодера void setup() { pinMode(encoderIn, INPUT); //Настраиваем контакт 8 на вход pinMode(statusLED, OUTPUT); //Настраиваем контакт 13 на выход pinMode(pulseOutput, OUTPUT); // Настраиваем контакт 12 на выход } void loop() { detectState=digitalRead(encoderIn); if (detectState == HIGH) { //Если выход энкодера в высоком логическом состоянии digitalWrite(statusLED, HIGH); //включаем светодиод digitalWrite(pulseOutput,HIGH); //выход 13 устанавливаем в высокое логическое состояние } else { digitalWrite(statusLED, LOW); //выключаем светодиод digitalWrite(pulseOutput,LOW); //выход 13 устанавливаем в низкое логическое состояние } }

Возможности улучшения кода

Есть два основных способа считывать сигнал с цифрового входа микроконтроллера: по опросу и по прерыванию. В первом случае система считывает сигнал каждый раз внутри основного цикла программы (как в данном примере). Основным недостатком этого метода является то, что трудно вести обработку других сигналов во время опроса. Но с использованием прерываний основной цикл освобождается от части кода с опросом, и система может спокойно заниматься другими делами, пока на вход не придет сигнал. С поступлением сигнала, основные работы будут приостановлены, система войдет в прерывание для считывания импульса, затем выйдет, восстановив предыдущую работу. Так что, если вам не хватает быстродействия, то воспользуйтесь прерываниями.

Напечатать