Энкодер двигателя: Энкодеры – назначение, виды, характеристики

Энкодеры – назначение, виды, характеристики

Что такое энкодер

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.

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.

Прочие параметры:

• 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.

Другие полезные материалы:
10 типичных проблем с частотниками
FAQ по электродвигателям
Использование тормозных резисторов с ПЧ

что это, принцип работы, применение

Аналоги мировых брендов.

Подробнее>>

Содержание:

• Применяемые технологии
• Выходной сигнал
• Основные параметры
• Когда применяют инкрементальные энкодеры
• Области применения

Инкрементальные энкодеры, в отличие от абсолютных, выдают информацию о положении относительно положения в предыдущий момент времени. После включения питания вся информация о предыдущих перемещениях пропадает и положение вала становится неопределённым. Как правило в таком случае механизм приходится перемещать в некоторое известное положение для того чтобы информация о положении снова стала актуальной.

Применяемые технологии

Работа современных энкодеров базируется на использовании определенных физических принципов, основными из которых являются магнитный, ёмкостной и оптический. Для определения положения объекта ёмкостной принцип предполагает использование изменений электрического поля, магнитный – изменений магнитного поля, оптический – изменений пучков света.

Оптические

Оптические датчики угла поворота используют изменения световых пучков, происходящие во время кругового движения кодового диска, с которым взаимодействуют пучки света. Работа оптических энкодеров основана на двух схемах: пропускательной и отражательной.

В случае пропускательной схемы световые пучки попадают на фотоприемники после прохождения через узкие отверстия в кодовом диске.

При отражательной схеме на кодовом диске происходит чередование зеркальных и рассеивающих участков. Отражающийся от зеркальных участков свет, попадает в приёмник оптического излучения.

Кодовый диск инкрементного энкодера (слева) и абсолютного энкодера (справа)

Магнитные

Магнитные энкодеры для работы используют изменения магнитного поля, которые происходят во время кругового движения кодового диска. В зависимости от способа измерения изменений, магнитные датчики углов поворота делятся на следующие виды:

• индуктивные – изменения, происходящие с магнитным полем, измеряются по изменениям взаимной индуктивности обмоток, находящихся на неподвижной и вращающейся части энкодера;
• магнитно-резистивные – в таких датчиках в качестве чувствительного элемента используются материалы, которые в магнитном поле изменяют свое сопротивление;
• на датчиках Холла – изменения магнитного поля оцениваются с помощью датчиков на эффекте Холла.

Ёмкостные

Принцип действия базируется на оценке изменений электрического поля, которые происходят при круговом движении кодового диска специальной конфигурации. Изменения емкости конденсатора, образованные вращающимся кодовым диском и обкладками на неподвижной части энкодера, является основанием для оценки электрического поля.

Выходной сигнал

Выходной сигнал инкрементального энкодера чаще всего представляет собой 2 импульсных сигнала со скважностью 50% сдвинутых  относительно друг друга на 90°. Сигналы с этих двух каналов (квадратура выхода (обычно A и B)) позволяют определить направление вращения энкодера и величину углового перемещения. Направление вращения определяется опережением или отставанием импульсов одного из каналов относительно второго канала. Величина перемещения определяется по количеству импульсов на этих двух каналах.  Для обработки выходного сигнала применяются специализированные счётчики импульсов, либо отдельно стоящие либо интегрированные в микропроцессоры , микроконтроллеры или ПЛК. В зависимости от способа обработки сигнала с энкодера можно  получать информацию о положении или о скорости. Такая гибкость позволяет широко применять энкодеры в современных системах автоматического управления в качестве датчиков обратной связи по обоим этим величинам.

В ряде случаев энкодер оснащается третьим каналом – индексным (обозначают I или Z). Импульс на нём появляется один раз за полный оборот энкодера. Этот импульс позволяет контролировать показания с каналов A и B, а также облегчает привязку показаний инкрементального энкодера к реальному положению механизма.

Основные параметры

Разрешение

Разрешение инкрементального энкодера определяет какое минимальное перемещение вала датчика приводит к изменению сигнала на выходе датчика. У всех инкрементальных энкодеров разрешение приводится в полных циклах на один оборот. Под одним полным циклом подразумевается полный цикл измерения сигналов на двух основных каналах энкодера (A и B). При обработке сигнала инкрементального энкодера часто пользуются подсчётом импульсов «с учетверением».

В этом случае подсчитывается каждый фронт (передний и задний) по обоим основным каналам энкодера A и B. Легко видеть что за время полного цикла таких фронтов будет 4 – 2 по каналу A и 2 по каналу B. Таким образом при такой обработке количество отсчётов на один оборот энкодера будет в 4 раза больше чем разрешение указанное в полных циклах.

Интерфейс

Все инкрементальные энкодеры имеют интерфейс в виде двух импульсных сигналов, а некоторые имеют и дополнительный индексный канал. Отличия могут заключаться в напряжении импульсных сигналов и в наличии дифференциального выхода (драйвера линии).

Импульсный сигнал формируемый на выходе инкрементального энкодера  принимает 2 значения – максимальное и минимальное. Минимальное значение в большинстве случаев соответствует нулю. Максимальное значение может быть или фиксированным (напр. 3,3 В, 5 В) так и зависеть от напряжения питания поданного на энкодер (например на 1В или на 2 В меньше напряжения питания).

По способу формирования выходного сигнала можно выделить энкодеры:

• с несимметричным выходом
• с дифференциальным выходом (с драйвером линии).

В случае несимметричного выхода сигналы всех трёх импульсных каналов формируются относительно общей точки источника питания (0 источника питания). Такой сигнал достаточно прост при использовании и экономичен с точки зрения числа подключаемых проводов, однако уязвим для электромагнитных помех в случае передачи по проводам значительной длины. Сигнал энкодеров с дифференциальным выходом лишён этого недостатка. Для каждого канала при помощи специального формирователя вместо одного сигнала формируется пара сигналов – нормальный и логически инверсный,  а соответствующий приёмник принимает сигнал по разности этой пары сигналов. Это позволяет устойчиво передавать сигнал по длинным проводам (десятки и сотни метров) даже при наличии помех.

Скорость вращения

Важным параметром о котором не следует забывать является максимальная скорость вращения при которой происходит корректная выдача выходного сигнала. Именно от него зависит можно ли будет установить инкрементальный энкодер на валу скоростных бесколлекторных двигателей или же его можно будет использовать только на выходе мотор-редукторов и сравнительно медленных моментных двигателей.

Когда применяют инкрементальные энкодеры

Вопрос о том какие энкодеры предпочтительней применить в той или иной системе неразрывно связан с требованиями, предъявляемыми к ней. Если сразу после подачи питания на систему датчик должен выдавать правильное положение, то тогда лучше применить абсолютный энкодер. А если после старта допускается период подготовки системы к работе когда можно провести вывод механизма в нулевое положение, то тогда можно применять инкрементальный энкодер.

Инкрементные энкодеры имеют более простую конструкцию, поэтому среди них можно найти модели очень компактных размеров, недостижимых для абсолютных датчиков. Этим определяется применение инкрементных энкодеров в малогабаритных системах.

Если энкодер используется только для определения скорости вращения механизма, то для выполнения этой функции достаточно инкрементного энкодера.

Области применения

Инкрементальные энкодеры являются одним из самых распространённых датчиков в современных сложных технических системах. Вот лишь некоторые примеры:

• Медицинская техника
• Автоматизированное тестовое и диагностическое оборудование
• Самодвижущиеся роботоподобные устройства
• Системы контроля доступа

Поделиться:

Нельзя добавить товар к сравнению. Вы уже добавили к сравнению товар из категории « XXX». Очистите список сравнения и попробуйте ещё раз.

Товар успешно добавлен в корзину

Обзор скорости и положения энкодера двигателя

Что такое энкодер двигателя?

Кодер двигателя – это поворотный энкодер, установленный на электродвигателе, который обеспечивает сигналы обратной связи с замкнутым контуром, отслеживая скорость и/или положение вала двигателя. Доступны различные конфигурации энкодеров двигателя, такие как инкрементальные или абсолютные, оптические или магнитные, с валом или ступицей/полым валом, среди прочих. Тип используемого энкодера двигателя зависит от ряда факторов, в частности от типа двигателя, приложения, требующего обратной связи с обратной связью, и требуемой конфигурации монтажа.

Как указать кодировщик двигателя

При выборе компонентов для системы управления с замкнутым контуром выбор датчика двигателя в первую очередь определяется типом двигателя, выбранным в приложении. Наиболее распространенными типами двигателей являются:

Двигатели переменного тока Энкодеры

Асинхронные двигатели переменного тока являются популярным выбором для общих систем управления автоматическими машинами, поскольку они экономичны и прочны. Энкодеры двигателя используются для более точного управления скоростью в приложениях, использующих двигатели переменного тока, и часто должны иметь более надежные параметры IP, ударов и вибрации.

Энкодеры серводвигателей 

Энкодеры серводвигателей (энкодеры двигателей с постоянными магнитами) предлагают системы управления с обратной связью с обратной связью для приложений, требующих более высокой точности и точности, и не такие надежные, как асинхронные двигатели переменного тока. Энкодер двигателя, используемый на серводвигателях, может быть модульным, инкрементным или абсолютным в зависимости от требуемого уровня разрешения и точности.

Энкодеры шаговых двигателей

Шаговые двигатели экономичны, точны и обычно используются в системах без обратной связи. В системах, использующих шаговые двигатели, где требуется управление скоростью, на этот двигатель часто монтируется инкрементный энкодер двигателя, который позволяет системе шагового двигателя обеспечить обратную связь с замкнутым контуром. Энкодеры шаговых двигателей также могут использоваться в некоторых приложениях для улучшения управления шаговыми двигателями за счет обеспечения точной обратной связи о положении вала двигателя по отношению к углу шага.

Энкодеры двигателей постоянного тока

Энкодеры двигателей постоянного тока используются для обратной связи управления скоростью в двигателях постоянного тока, в которых якорь или ротор с намотанными проводами вращается внутри магнитного поля, создаваемого статором. Энкодер двигателя постоянного тока представляет собой механизм для измерения скорости вращения ротора и обеспечения замкнутой обратной связи с приводом для точного управления скоростью.

Варианты монтажа энкодера двигателя

Следующим фактором, влияющим на выбор энкодера двигателя, является вариант монтажа, и наиболее распространенными вариантами являются:

• Энкодеры двигателя с валом: используется метод соединения для соединения вала энкодера двигателя с валом двигателя. Муфта обеспечивает механическую и электрическую изоляцию от вала двигателя, но может увеличить стоимость за счет муфты и большей длины вала, необходимой для установки энкодера двигателя
.
• Энкодеры двигателя со втулкой/полым валом: Энкодеры с полым валом крепятся непосредственно к валу двигателя с помощью подпружиненного троса. Этот метод прост в установке и не требует выравнивания вала, но необходимо соблюдать надлежащие меры для обеспечения электрической изоляции.
Бесподшипниковые энкодеры двигателя
• : Этот вариант монтажа, также известный как кольцевое крепление, состоит из узла датчика в виде кольца, которое устанавливается на лицевой стороне двигателя, и магнитного колеса, которое устанавливается на валу двигателя. Этот тип конфигурации монтажа энкодера двигателя в основном используется в тяжелых условиях, таких как бумага, сталь и краны.

Типы технологии энкодера

Применение, в котором используется энкодер двигателя, определяет технологию энкодера двигателя, которую необходимо использовать. Доступны два основных типа технологий энкодера двигателя:

• Инкрементальные энкодеры: Выход инкрементного энкодера двигателя используется для управления скоростью вала двигателя. Узнайте больше о технологии инкрементного энкодера.
• Абсолютные энкодеры: Выходной сигнал абсолютного энкодера двигателя указывает как движение, так и положение вала двигателя. Абсолютные энкодеры двигателя чаще всего используются в серводвигателях в приложениях, где требуется точность положения. Узнайте больше о технологии абсолютного энкодера
.

Что такое кодировщик двигателя? Типы и принцип работы

20.07.2021

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Типы датчиков двигателя по конструкции
2. На что следует обратить внимание при выборе энкодера для системы двигателя
3. Типы крепления энкодера

В эпоху промышленной автоматизации было изобретено множество приборов для быстрых и точных измерений. Среди различных датчиков некоторые энкодеры предназначены для линейных или угловых перемещений. Их рабочий процесс состоит из фиксации каждого движения или поворота и передачи фактического положения в режиме реального времени с помощью цифровых или аналоговых сигналов.

Поскольку электродвигатели относятся к роторным типам оборудования, для их позиционирования необходим энкодер двигателя. Он преобразует угол поворота объекта, который вращается (вала), в электрические сигналы, которые позволяют определить тот самый угол поворота (вала), направление вращения и положение относительно оси. Потребность в этом датчике возникла в связи с поиском новых, более совершенных методов создания и эксплуатации известных серводвигателей. Первым был импульсный магнитный датчик серводвигателя, который определял положение ротора в системе бесщеточного двигателя постоянного тока (двигатель с электронной коммутацией). Энкодер при вращении выдавал импульсы по числу полюсов магнита.

На данный момент по типу действия имеем как минимум три типа энкодеров:

• Магнитный;
• Магниторезистор;
• Оптический.

Наряду с энкодерами часто применяют датчики температуры, так как при механическом или любом другом движении возникает трение и повышение температуры, значения которых не должны превышать допустимых норм.

Типы энкодеров двигателей по их конструкции

По своей конструкции все энкодеры для двигателей можно разделить на 2 большие категории:

• Инкрементальные энкодеры проще по конструкции. Инкрементальный энкодер (он же пошаговый энкодер) состоит из следующих компонентов: источника света, диска с метками, блока фототранзисторов и схемы обработки сигнала. Диск энкодера разделен на точно расположенные метки. Количество меток определяет количество импульсов на оборот.
• Абсолютные энкодеры имеют более сложную конструкцию. В нем инфракрасные лучи светодиода просвечивают кодовый диск и попадают на фототранзисторную считывающую матрицу, расположенную на обратной стороне кодового диска. На каждом шаге углового положения кодового диска его темные участки препятствуют попаданию света на определенные фототранзисторы считывающей матрицы, преобразующие световые сигналы в электрические. Электрические сигналы, в свою очередь, преобразуются электроникой энкодера в двоичный код.

Первым и наиболее важным шагом в типологии энкодера двигателя является тип самого двигателя.
Это может быть двигатель переменного тока, серводвигатель, двигатель постоянного тока или шаговый двигатель.

1. Для двигателей переменного тока , которые представляют собой электродвигатели переменного тока, в которых электрический ток в роторе, необходимый для создания крутящего момента, получается за счет электромагнитной индукции от магнитного поля от обмотки статора, как обычно, используются инкрементальные энкодеры. Они помогают остановить двигатель в нужном положении, изменяя угол и положение оборудования, приводимого в движение двигателем.
2. Двигатели постоянного тока создают магнитное поле своим статором. Для них энкодеры в основном используются для управления скоростью, предоставляя приводу точные данные о скорости двигателя.
3. Серводвигатель представляет собой устройство на основе электродвигателя с управлением отрицательной обратной связью. Использование сервоприводов позволяет достичь высокого уровня точности и повторяемости процессов, за которые они отвечают. Благодаря этим особенностям сервоприводы широко используются при решении различных производственных задач, в машиностроении и других отраслях промышленности. Благодаря своей конструкции для энкодеров серводвигателей могут использоваться все типы, включая модульные энкодеры, абсолютные и инкрементальные. Выбор в основном зависит от точности требуемого сигнала.
4. Шаговые двигатели являются наиболее точными и экономичными. Для их управления используются инкрементальные энкодеры. Они предоставляют вам точные данные в системах с разомкнутым контуром. Кроме того, энкодеры могут предоставить вам информацию о положении вала двигателя в соответствии с углом шага
.

На что следует обратить внимание при выборе энкодера для двигателя

При выборе энкодера для определенного типа двигателя необходимо учитывать ряд характеристик. Это относится в первую очередь к типу двигателя, измеряемому энкодером.

Также важной особенностью является способ крепления энкодера, так как каждая отдельная модель от производителей имеет свои особенности для того или иного типа установки. Позже мы проанализируем его более подробно.

Что еще следует учитывать при выборе энкодеров? Вот примерный перечень качеств, которые играют роль при выборе такого промышленного оборудования.

1. Тип сигнала. Кодировщики предоставляют информацию о позиционировании объекта в виде сигналов, передаваемых на устройство. Старые, хотя и надежные аналоговые энкодеры используют для этого аналоговый сигнал. Аналоговые энкодеры популярны из-за их совместимости со многими промышленными контроллерами. Наиболее распространенными сигналами являются 0–10 В и 4–20 мА. В этом случае выход напряжения более подвержен помехам, сопротивлению проводки. Токовый выход более устойчив к электрическим помехам и имеет низкие потери сигнала при передаче данных по длинным кабелям. В то же время их успешно заменяют промышленные энкодеры с цифровым сигналом. Помимо точности передачи, они также совместимы с современными промышленными интерфейсами.
2. Совместимость с интерфейсами промышленной автоматизации. При переходе промышленных систем на полную автоматизацию важно подобрать энкодеры, подходящие для взаимодействия с выбранным интерфейсом, например, совместимые с ProfiNet или ProfiBus.
3. Степень защиты – не менее важный параметр. Особенно, если вы используете энкодер в тяжелых условиях эксплуатации, например, при повышенных температурах из-за перегрева двигателя.
4. Производитель . Несмотря на то, что такое оборудование сейчас предлагают многие производители, качество и надежность – параметры, которые соблюдаются далеко не всеми. Если вы хотите получить оборудование, которое будет работать безотказно, предоставлять данные с максимальной точностью и скоростью, лучше отдать предпочтение проверенным брендам, представленным в каталоге Eltra.

Типы монтажа энкодера

В простейшем случае энкодер подключается к счетчику, запрограммированному на измерение скорости.

Однако чаще работа энкодера осуществляется совместно с контроллером. Примером могут служить датчики вращения на валах двигателей, соединяющие между собой какие-либо детали. Используя расчеты на основе поступающих данных, система контролирует зазор между деталями. При достижении определенного минимального значения регистрация деталей прекращается, чтобы не повредить их.

Другим случаем является подключение энкодеров к двигателям с преобразователями частоты, где они служат элементами обратной связи. Здесь принцип подключения устройства еще проще. Датчик угла поворота подключается к ним с помощью интерфейсной платы. Это позволяет точно поддерживать скорость и крутящий момент двигателя.

Резюме

Энкодеры представляют собой весьма разнообразные устройства по своей конструкции, принципу действия и точности.