Что такое энкодер: типы и принцип работы

О том, что это устройство требуется для самых разных производственных задач, знают многие. При этом далеко не все четко понимают, как работает энкодер, что он собой представляет, для чего нужен энкодер и из чего состоит. Настоящая статья — небольшой ликбез на эту тему в вольном изложении. Надеемся, она кому-то окажется полезной. Начнем с матчасти.

Что такое энкодер?

Энкодер, также известный как датчик угла поворота и преобразователь угловых перемещений, — это специальное устройство для точного измерения характеристик вращающихся объектов (например, вала двигателя). Он регистрирует нужные параметры и формирует электрические сигналы, содержащие необходимую информацию.

Энкодер (он же датчик угла вала, датчик положения, преобразователь угла поворота) — прибор, преобразующий механическое перемещение или вращение вала в электрический сигнал. Главная задача устройства — обеспечить точное позиционирование вала или движущегося механизма в системах управления: станках с ЧПУ, промышленных роботах, лифтах, конвейерах и частотных преобразователях.

Нужные параметры — это угол поворота вала, скорость его вращения, направление движения и местоположение вращаемой детали относительно базовой позиции. Подобные устройства требуются в самых разных направлениях производства, где нужны высокоточные измерения. Например, в машиностроении и робототехнике.

Применение энкодеров

Чаще всего их применяют в следующих сферах:

1. Производство станков — направление специализированных предприятий, которые производят разнообразные станки и оборудование для металлообработки, запасные части и комплектующие к ним.
2. Системы точного перемещения — технические решения, обеспечивающие высокоточное позиционирование. Такие системы могут быть как с ручным приводом, так и с линейным двигателем.
3. Производство измерительного оборудования — контрольно-измерительных приборов, блоков преобразования сигналов, арматуры для датчиков давления и температуры и многого другого.
4. Станки с ЧПУ — для позиционирования инструмента и контроля перемещений по осям координат.
5. Промышленная робототехника — для определения положения суставов роботизированных манипуляторов.
6. Лифтовое оборудование — для контроля скорости и точного позиционирования кабины по этажам.
7. Конвейерные системы — для учёта скорости ленты и длины транспортируемого материала.

Также в некоторых сферах требуются высокопроизводительные датчики угла поворота, рассчитанные на эксплуатацию при высоких температурах и устойчивые к взрывам. Кроме перечисленных направлений, назначение энкодера может быть и иным:

• типография — энкодеры закрепляют на валах, по которым перемещается материал для печати (бумага, виниловая пленка, баннерная ткань и т. д.);
• автомобильная промышленность — для определения точного угла поворота колес или взаимодействия с двигателями;
• в производстве химических средств — для оборудования, обеспечивающего автоматизированную фасовку.

Энкодер Baumer

Типы энкодеров

Энкодеры классифицируют по нескольким признакам:

• По принципу считывания: оптические, магнитные, ёмкостные, индуктивные, механические.
• По типу выходного сигнала: инкрементальные и абсолютные.
• По направлению измерения: угловые (ротационные) и линейные.
• По конструкции вала: со сплошным валом, с полым (сквозным) валом, без вала (на подшипниковом щите).

По принципу работы, конструкции и форме выдаваемого сигнала преобразователи угловых перемещений делятся на два основных вида — инкрементальные (также называемые инкрементные) и абсолютные. Давайте разберем виды энкодеров и их ключевые особенности.

Инкрементальный энкодер

У такого энкодера принцип работы самый простой, как правило, его функциональных возможностей достаточно для большинства задач. Устройство представляет собой диск с прорезями. При вращении его просвечивает оптический датчик, который активируется или деактивируется в зависимости от того, в каком положении он находится относительно прорези.

По сути, устройство неспособно определить местоположение ручки, оно знает лишь направление, а количество делений поворота фиксирует контроллер. Результат работы такого преобразователя угловых перемещений — последовательность цифровых сигналов частоты, зависящей от его разрешения и частоты вращения.

Помимо двух основных каналов A и B (сдвинутых на 90°, что позволяет определять направление вращения), большинство инкрементальных энкодеров оснащены каналом Z — нулевой меткой. Один импульс на канале Z формируется ровно раз за полный оборот диска и используется для точного определения начальной позиции при включении системы (процедура хоминга).

Самый распространенный пример инкрементального энкодера в быту — это регулятор громкости акустической системы с цифровым управлением. Его отличает наличие шкалы с конкретными значениями, например, от 0 до 10. Другой пример — навигация по разнообразным меню.

Главные плюсы инкрементального энкодера — доступная цена, достаточная для большинства задач функциональность и легкость обработки сигналов (последовательных импульсов). В минусы устройства обычно записывают необходимость этой самой обработки выходных сигналов в постоянном режиме, а также инициализации для поиска нуль-метки или нулевого положения механизма.

Абсолютный энкодер

Такой преобразователь угловых перемещений лишен недостатков, характерных для инкрементальных устройств. Диск разбит на секторы одинакового размера, а выходной сигнал соответствует текущему углу поворота. Благодаря такой конструкции устройство фиксирует значение угла в любой момент времени, даже если механизм неподвижен. Присоединять систему отсчета датчика к определенному нулевому значению не нужно.

Кодирование положения в абсолютных энкодерах, как правило, выполняется в коде Грея — специальном двоичном коде, в котором соседние значения отличаются только одним битом. Это исключает ошибки считывания при переходе между позициями и повышает помехозащищённость.

Более точный принцип действия энкодера абсолютного типа требуется далеко не всегда. В основном такие устройства приобретают для сложного оборудования, когда возможность знать точное позиционирование объекта в любой момент времени является критически важной. Недостатки таких преобразователей:

• они в несколько раз дороже инкрементальных;
• их выходной сигнал (параллельный код) сложнее обрабатывать.

Отличия энкодеров абсолютного типа тоже есть, они бывают однооборотными и многооборотными. Эта характеристика определяет сферу их эксплуатации.

Однооборотный абсолютный энкодер

Однооборотные модели, как правило, применяют для измерения углов поворота. Они регистрируют абсолютное значение после одного совершенного оборота, затем код приводится в начальное значение.

Многооборотный абсолютный энкодер

Многооборотные модели, в свою очередь, снабжены дополнительным передаточным механизмом, с которым устройство также фиксирует количество оборотов. Такие энкодеры требуются для систем с линейным перемещением.

Энкодер BEI

Инкрементальный и абсолютный энкодер: в чём разница?

Оба типа энкодеров решают задачу измерения вращения, но делают это принципиально по-разному. Чтобы быстро определить, какой вариант подходит для конкретной задачи, удобно сравнить их ключевые характеристики в одной таблице.

Энкодеры по принципу считывания: оптический и магнитный

По конструкции и принципу работы это устройство схоже с инкрементальным. Прибор представляет собой стеклянный диск, прочно зафиксированный на валу. Оптический датчик поворота преобразует момент вращения в поток света, принимаемый фоточувствительным датчиком.

Каждому положению диска этого устройства соответствует свой цифровой код. Вместе с количеством оборотов он представляет собой одну единицу измерения энкодера. Оптические преобразователи угловых перемещений бывают двух типов:

1. Магнитные. При вращении вала они фиксируют прохождение полюса магнита, который расположен возле чувствительного элемента. Сигналы передаются в цифровой форме. Плюсы этого варианта — простая конструкция, меньше требований к условиям эксплуатации и более доступная стоимость.
2. Фотоэлектрические. Эти устройства используют фотоэлектрический эффект, который вызывает попадание света на датчик и его преобразование в сигнал электрического тока. Фотоэлектрические энкодеры отличаются высокой чувствительностью, при этом обладают хорошей точностью.

Магнитный энкодер

Магнитные энкодеры работают по принципу считывания изменений магнитного поля с помощью датчиков Холла или магниторезистивных элементов. Намагниченный диск или полосовой магнит фиксируется на валу, а считывающий элемент регистрирует прохождение полюсов.

Преимущества магнитных энкодеров:

• Устойчивость к загрязнениям, пыли, масляным парам — там, где оптика теряет точность.
• Широкий температурный диапазон (обычно −40…+85 °C).
• Более низкая стоимость относительно оптических при сопоставимом разрешении.

Применяются в мобильной технике, сельскохозяйственных машинах, тяжёлом машиностроении.

Механический энкодер

В сравнении с перечисленными выше вариантами такое устройство можно назвать устаревшим, поскольку оно передает аналоговый сигнал. Материалом для изготовления диска служит диэлектрик с выпуклыми либо непрозрачными участками. Наличие контактов и переключателей делает возможным расчет значения абсолютного угла.

Главный минус механических энкодеров — их низкая надежность. Неизбежное разбалтывание контактов приводит к искажению сигнала и, соответственно, неверным или как минимум недостаточно точным показаниям. Ни один из более современных вариантов не имеет такого недостатка.

Есть и другие, менее известные энкодеры, устройство и принцип работы их могут отличаться от рассмотренных выше. Как правило, они менее распространены, поскольку имеют более существенные недостатки при отсутствии видимых преимуществ.

Сегодня механические энкодеры практически вытеснены оптическими и магнитными аналогами и встречаются лишь в бытовых устройствах — регуляторах громкости, органах управления приборов.

Подключение энкодера

Прежде всего важно понимать, что энкодер любого типа лишь формирует сигналы, на этом его функциональная роль заканчивается. Он передает их другому устройству для последующей обработки. Это может быть не только контроллер но и, например, счетчик, запрограммированный на измерение заданных параметров (в первую очередь — скорости).

Также энкодер подключают к преобразователям частоты, обеспечивающим питание электродвигателя. В этом случае появляется возможность точно позиционировать устройство и задавать определенную скорость, не используя для этого контроллер (векторное управление). В результате дальнейших расчетов можно получить данные о скорости вращения, его направлении, местоположении вала или другого объекта.

В случае с контроллером для соединения используют нужные выходы, при этом вычислением положения и скорости вала уже занимается программа. Типичный сценарий: энкодер, закрепленный на валу электродвигателя, который движется в сторону другого элемента конструкции. При достижении заданного расстояния между ними первый останавливается во избежание повреждений оборудования.

Физически энкодер в большинстве случаев подключают трех- или шестипроводной схемой, есть и другие варианты соединения. Главным фактором, влияющим на способ подключения датчика, является тип принимающего устройства. Крайне важно:

• не экономить на кабеле — использовать следует только тот, который рекомендован заводом-производителем;
• использовать дополнительный источник питания, если на принимающем устройстве нет клемм для питания датчика;
• не подключать высокоточный энкодер к источникам, используемым для питания реле и других датчиков (чревато помехами и неверными показаниями).

Типовые интерфейсы подключения энкодеров

Выбор способа подключения определяется интерфейсом выходного сигнала:

• TTL (5 В) — самый распространённый для инкрементальных энкодеров; трёх- или пятипроводное подключение (A, B, Z + питание + GND).
• HTL (10–30 В) — более помехоустойчивый вариант для промышленных сред с высоким уровнем электромагнитных помех.
• SSI (Serial Synchronous Interface) — двухпроводной синхронный интерфейс для абсолютных энкодеров; обеспечивает надёжную передачу на расстояние до 100 м.
• RS-485 / CANopen / PROFIBUS / EtherCAT — промышленные шины для систем с несколькими датчиками или большими расстояниями.

Энкодер Kuebler

Как выбрать энкодер

Теперь, когда с матчастью покончено, перейдем к критериям выбора этого устройства. Проще всего, когда его приобретают для разрабатываемой системы — на этой стадии производится комплексный расчет всей инженерной конструкции. Соответственно, датчик подбирают в соответствии с конкретными требованиями технического задания.

Также бывают ситуации, когда этот прибор вышел из строя или стал работать нестабильно, оказался недостаточно надежен, дорог в обслуживании и т. д.

В первом случае — когда речь только о поломке — достаточно переписать маркировочные данные на корпусе энкодера и подобрать устройство с такими же характеристиками. Во втором случае — если необходимо приобрести прибор с другими параметрами — лучше всего обратиться к специалистам по подбору такого оборудования.

В общем случае при выборе энкодера принимают во внимание следующие факторы:

1. Местоположение монтажа устройства. Важно заранее понимать, где оно будет устанавливаться, — внутри помещения или на улице. Во втором случае может понадобиться защита от влаги и посторонних мелких предметов (IP).
2. Тип энкодера. Как правило, выбор лежит между инкрементальным, абсолютным или магнитным датчиком. Здесь нет никакого смысла приобретать в несколько раз более дорогой вариант с функциональностью, которая никогда не будет задействована.
3. Тип выходного сигнала. Бывают ситуации, когда этот параметр играет очень важную роль в силу особенностей дальнейшей обработки информации. Здесь только специалист сможет сказать, какой конкретно сигнал ему нужен.
4. Разрядность/разрешение. По сути, это количество создаваемых импульсов на один оборот диска. В зависимости от модели, эта характеристика может иметь значение от 1 до 5000 импульсов за оборот.
5. Интерфейс выходного сигнала. Для инкрементальных наиболее распространены TTL (5 В) и HTL (10–30 В, для зашумлённых сред). Для абсолютных — последовательные интерфейсы SSI, RS-485, CANopen, PROFIBUS, EtherCAT. Выбор интерфейса определяется типом принимающего устройства и длиной кабельной линии.
6. Степень защиты корпуса (IP). Для работы внутри помещения без загрязнений достаточно IP54. Для производственных сред с пылью и брызгами — IP65. Для промывочных зон и тяжёлых условий — IP67 и выше. При наличии вибрации выбирайте модели с соответствующей ударопрочностью.

Итоговая таблица быстрого выбора

Характеристику — разрешение — рассмотрим более детально. Ее выбирают, отталкиваясь от скорости вращения вала электродвигателя — программная часть энкодера должна успевать генерировать сигналы. Важно заранее убедиться в том, что паспортное разрешение датчика соответствует частоте вращения вала исполнительного органа.

Обратим внимание на один очень существенный момент. Нет никакого смысла приобретать энкодер с более высоким значением разрядности, если контроллер или иное устройство, принимающее сигнал, не будет успевать считать все импульсы. В этом случае скорость и другие параметры могут быть рассчитаны неверно, точность будет низкой.

Более правильно начать вопрос выбора устройства и работы энкодера с количества импульсов на оборот диска, которого достаточно, чтобы обеспечить нужную точность. В случае с электродвигателем с асинхронным короткозамкнутым ротором выбранная разрядность будет определять поведение системы.

Если эта характеристика очень мала, то вал мотора может двигаться с рывками. Также система может работать некорректно при удержании вала на нулевой скорости. Точно же предсказать, как в этом случае будет вести себя мотор, невозможно, не зная логики работы привода. Самый доступный способ подобрать подходящий вариант — проверять, как работает система при разных комбинациях привода, электромотора и энкодера.

Типичные неисправности энкодеров

Ниже приведены наиболее распространённые симптомы неисправностей энкодеров с указанием вероятных причин и рекомендуемых действий.

Столкнулись с одним из этих симптомов? Инженерная компания 555 специализируется на диагностике и ремонте энкодеров любых производителей — Heidenhain, Baumer, Kübler, Sick, Omron, Fanuc и других. Звоните: 8-800-555-89-01 (бесплатно по России).

По всем вопросам, связанным с энкодерами, их обслуживанием и ремонтом, вы можете обратиться в Инженерную компанию 555. Звоните по любому телефону, чтобы выяснить все интересующие вопросы.