Енкодер це: види, принцип роботи та застосування в системах керування

Енкодер (датчик положення) — це електромеханічний пристрій, який перетворює інформацію про механічний рух або положення в електричні сигнали, придатні для обробки електронними системами керування. У сучасній промисловості та робототехніці енкодери стали незамінними компонентами, що забезпечують точне позиціонування та керування рухом у різноманітних застосунках — від виробничих ліній до медичного обладнання та автомобільних систем.

З розвитком технологій автоматизації та робототехніки вимоги до точності, надійності та швидкодії енкодерів постійно зростають. Сучасні енкодери здатні забезпечувати роздільну здатність до мільйонів імпульсів на оберт і працювати в найскладніших умовах експлуатації. Вони є ключовими елементами зворотного зв'язку, що дозволяють системам керування точно контролювати положення, швидкість та напрямок руху механічних компонентів, використовуючи точні дані.

У цій статті ми розглянемо основні види енкодерів, принципи їх роботи, особливості застосування в різних системах керування, а також тенденції розвитку цих найважливіших елементів сучасної автоматики.

1. Оптичні енкодери

Оптичні енкодери є найпоширенішим типом датчиків положення. Принцип їх роботи ґрунтується на перетворенні світлового потоку в електричні сигнали за допомогою оптопари (джерело світла та фотоприймач) та спеціального кодового диска. Правильний вибір моделі датчика для конкретних завдань вимагає професійної консультації наших менеджерів.

Переваги:

• Висока точність і роздільна здатність (до мільйонів імпульсів на оберт)
• Відсутність механічного контакту між зчитувальним пристроєм і диском
• Широкий діапазон робочих швидкостей
• Мала інерційність

1. Інкрементальні енкодери

Інкрементальні (відносні) енкодери генерують послідовність імпульсів при обертанні вала. Вони визначають відносне переміщення, швидкість та напрямок руху, але не абсолютне положення.
Типовий інкрементальний енкодер має щонайменше два вихідних канали (A і B), зсунутих по фазі на 90°, що дозволяє визначати напрямок обертання. Часто додається третій канал (Z або індексний), який видає один імпульс за повний оберт і слугує для визначення початкового положення.

Де застосовується цей датчик:

• Контроль швидкості обертання
• Вимірювання пройденого шляху
• Системи з можливістю початкового калібрування

2. Абсолютні енкодери

Абсолютні енкодери в будь-який момент часу видають унікальний код, що відповідає конкретному кутовому положенню об'єкта. Вони зберігають інформацію про положення навіть при вимкненні живлення.

Абсолютні енкодери можуть використовувати різні методи кодування:

• Двійковий код
• Код Грея (тільки один біт змінюється при переході між сусідніми положеннями)
• Послідовний формат передачі даних (SSI, BiSS, EnDat та ін.)

Де застосовується цей датчик:

• Системи, де неприпустима втрата інформації про положення
• Обладнання з частими ввімкненнями/вимкненнями
• Прецизійні системи позиціонування

Класифікація за конструктивним виконанням енкодера

1. Порожнисті (порожнистий вал)

Енкодери з порожнистим валом встановлюються безпосередньо на вал приводного механізму, що дозволяє уникнути використання муфт та знижує похибки вимірювання переміщень.

2. Шпонкові (суцільний вал)

Класична конструкція із суцільним валом, що вимагає використання сполучної муфти для передачі крутного моменту та точного вимірювання переміщення.

3. Модульні

Компоненти енкодера (диск та зчитувальна головка) монтуються окремо один від одного, що дозволяє інтегрувати їх в обмежений простір.

Принцип роботи основних типів енкодерів

Оптичні енкодери

Основними компонентами оптичного енкодера є:

• Джерело світла (зазвичай світлодіод)
• Кодовий диск з прозорими та непрозорими ділянками
• Фотоприймачі (фотодіоди або фототранзистори)
• Електронна схема обробки сигналів

Принцип роботи інкрементального оптичного енкодера: 

1. Світлодіод випромінює світло, спрямоване на кодовий диск
2. Диск, закріплений на валу, має радіальні прозорі та непрозорі сектори
3. При обертанні диска світло періодично проходить через прозорі ділянки або блокується непрозорими
4. Фотоприймачі перетворюють зміни світлового потоку в електричні імпульси
5. Наявність кількох доріжок з фазовим зсувом дозволяє визначати напрямок та швидкість обертання

Принцип роботи абсолютного оптичного енкодера: 

В абсолютному енкодері кодовий диск містить кілька концентричних доріжок, що утворюють унікальний двійковий код для кожного кутового положення повороту. Кількість доріжок визначає роздільну здатність енкодера. Наприклад, 10-бітний енкодер має 10 доріжок і може розрізняти 2^10 = 1024 положення за оберт.

Магнітні енкодери

Магнітні енкодери використовують такі компоненти:

• Магнітний диск або смуга з полюсами, що чергуються
• Датчики Холла або магніторезистивні елементи
• Схема обробки сигналів

Принцип роботи: 

1. Магнітний диск, закріплений на валу, створює змінне магнітне поле при обертанні
2. Датчик Холла або магніторезистивні елементи реагують на зміни магнітного поля
3. Електронна схема перетворює ці зміни в цифрові сигнали

У магнітних абсолютних енкодерах часто використовується принцип енкодування положення за допомогою магнітних полів з різною просторовою частотою (метод Ноніуса).

Характеристики енкодерів

Основні параметри

1. Роздільна здатність - кількість імпульсів на один повний оберт вала (для інкрементальних) або кількість унікальних кодів за оберт (для абсолютних)
2. Точність - максимальна похибка визначення кутового положення
3. Максимальна швидкість обертання - гранична швидкість, при якій енкодер працює коректно
4. Вихідні інтерфейси:

• TTL/CMOS імпульси
• Диференціальні сигнали (лінійні драйвери)
• Протоколи послідовної передачі (SSI, BiSS, EnDat)
• Промислові інтерфейси (Profibus, CANopen, EtherCAT)

5. Діапазон робочих температур
6. Клас захисту (IP)
7. Механічне навантаження на вал (радіальне та осьове)
8. Момент інерції ротора

Додаткові функції

1. Діагностика - виявлення несправностей та передача діагностичної інформації
2. Програмованість - можливість зміни параметрів енкодера (роздільної здатності, типу вихідного сигналу тощо)
3. Мультитернова функціональність - підрахунок кількості повних обертів (для абсолютних енкодерів)
4. Функція електронної таблички - зберігання в пам'яті інформації про пристрій та його калібрування
5. Резервування - дублювання вимірювальних систем для підвищення надійності

Застосування енкодерів у системах керування

Промислові приводи та системи ЧПК 

У сервоприводах та системах числового програмного керування енкодери забезпечують точне позиціонування робочих органів верстатів. Вони є ключовими елементами замкнутого контуру керування, дозволяючи системі контролювати положення, швидкість та прискорення виконавчих механізмів.

Вимоги до енкодерів у ЧПК:

• Висока роздільна здатність (до сотень тисяч імпульсів на оберт)
• Мінімальні похибки та часова стабільність характеристик
• Стійкість до вібрацій та мастильно-охолоджувальних рідин

Робототехніка 

У робототехнічних системах енкодери використовуються для відстеження положення ланок та забезпечення точних маніпуляцій. Особливо важливі вони в колаборативних роботах, що працюють поруч з людьми, де потрібна висока точність та безпека рухів.

Особливості застосування:

• Компактність та легкість (для зниження маси ланок)
• Висока динамічна точність
• Абсолютне визначення положення після ввімкнення
• Багатообертова функціональність

Автомобільна промисловість

У сучасних автомобілях енкодери використовуються в різних системах:

• Електропідсилювач керма
• Системи динамічної стабілізації
• Електронна педаль газу
• Системи допомоги водієві та автономного керування
• Електричні склопідйомники та регулювання сидінь

Вимоги:

• Підвищена надійність та довговічність
• Працездатність у широкому діапазоні температур
• Стійкість до вібрацій, вологи та агресивних середовищ
• Низька вартість при масовому виробництві

Медичне обладнання

У медичних пристроях енкодери застосовуються для високоточного позиціонування:

• Хірургічні роботи
• Томографи та рентгенівські апарати
• Пристрої для променевої терапії
• Автоматизовані системи аналізу біозразків

Вимоги:

• Виняткова надійність та точність
• Стерилізованість або можливість експлуатації в чистих приміщеннях
• Безшумність
• Електромагнітна сумісність з іншим обладнанням

Відновлювальна енергетика

У вітрогенераторах та сонячних трекерах енкодери забезпечують оптимальне положення обладнання відносно джерела енергії:

• Позиціонування лопатей вітрогенераторів
• Орієнтація сонячних панелей
• Контроль швидкості обертання генераторів

Вимоги:

• Екстремальна стійкість до погодних умов
• Тривалий термін служби без обслуговування
• Здатність працювати при високих рівнях електромагнітних перешкод

Інтеграція енкодерів у системи керування

Електричні інтерфейси

1. Аналогові інтерфейси

• Синусоїдальний сигнал (1Vpp)
• Сигнал рівня струму (4-20 мА)

2. Цифрові інтерфейси

• Підключення диференціальних ліній (RS-422)
• TTL-сумісні сигнали
• Послідовні інтерфейси (SSI, BiSS, EnDat)
• Промислові мережі (Profibus, CANopen, EtherCAT, PROFINET)

Програмні аспекти

Для коректної експлуатації з енкодерами в системах керування та точного визначення позиції необхідно реалізувати:

• Декодування квадратурних сигналів
• Підрахунок імпульсів та визначення напрямку
• Обробку індексних сигналів
• Компенсацію механічних похибок
• Фільтрацію сигналів для усунення шумів та деренчання

Проблеми та їх рішення

1. Електромагнітні перешкоди

• Використання екранованих кабелів
• Диференціальна передача сигналів
• Фільтрація живлення та сигнальних ліній

2. Механічні проблеми

• Застосування гнучких муфт для компенсації неспіввісності
• Використання прецизійних підшипників
• Балансування частин, що обертаються

3. Умови навколишнього середовища

• Герметичні корпуси з високим класом захисту
• Спеціальні матеріали для роботи в агресивних середовищах
• Термокомпенсація для стабільної роботи в широкому діапазоні температур, що дозволяє підтримувати правильні послідовності операцій

Сучасні тенденції розвитку енкодерів

Мініатюризація 

Сучасні технології дозволяють створювати все більш компактні енкодери без шкоди для продуктивності. Розроблено енкодери діаметром менше 10 мм для застосування в медичних пристроях та мініатюрних роботах.

Інтеграція додаткових функцій

Багато сучасних енкодерів включають додаткові датчики:

• Температурні сенсори для контролю робочих умов
• Акселерометри для виявлення вібрацій
• Гіроскопи для комплексного визначення положення

Інтелектуальні енкодери

Вбудовані мікроконтролери дозволяють реалізувати:

• Самодіагностику та предиктивне обслуговування
• Адаптивну фільтрацію сигналу
• Компенсацію систематичних помилок
• Захист від несанкціонованого доступу

Бездротові технології 

Розвиваються енкодери з бездротовою передачею даних, що дозволяє встановлювати їх на обертові або важкодоступні частини механізмів без необхідності прокладання кабелів. Ці технології знаходять широке застосування в різних галузях виробництва, таких як машинобудування та робототехніка, де потрібні високоточні вимірювання.

Висновок

Енкодери є критично важливими компонентами сучасних систем автоматизації та керування. Завдяки різноманітності типів, конструкцій та інтерфейсів, вони можуть застосовуватися практично в будь-яких умовах експлуатації та для вирішення широкого спектра завдань, забезпечуючи надійну роботу в різних застосунках.

З розвитком промисловості 4.0 та Інтернету речей (IoT) роль енкодерів зростає, оскільки точне визначення положення та руху стає ще важливішим для забезпечення ефективності та безпеки автоматизованих систем.

Сучасні тенденції розвитку енкодерів спрямовані на підвищення їх надійності, точності, інтелектуальності та можливостей інтеграції в складні інформаційні системи. Майбутні покоління цих пристроїв обіцяють ще більш високу продуктивність при менших розмірах та вартості, що відкриє нові можливості для їх застосування в різних галузях техніки.