Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Типы и выбор энкодеров для приводных систем

Все больше и больше современных приводных систем, в том числе основанных на сервоприводах и шаговых двигателях, полагаются на обратную связь от энкодеров для точного управления скоростью и положением. Энкодеры преобразуют движение контролируемого объекта, например, вала двигателя, в цифровой сигнал. Их необходимо правильно выбрать в соответствии с потребностями приложения, чтобы обеспечить оптимальную эффективность.

При выборе подходящего преобразователя или датчика перемещения, рекомендуется учитывать несколько ключевых факторов. К ним относятся условия окружающей среды, включая температуру, влажность, вибрации, загрязнения и т. д. Также важно учитывать: тип движения (одно — или двустороннее, линейное или угловое); размер смещения (расстояние); чувствительность при возврате в исходное положение, механическая конструкция, разрешение, шаг и т. д.

Выбор подходящего энкодера зависит от электрических характеристик приводов и контроллеров. Также полезно учитывать физическую конфигурацию устройства, включая конфигурацию и расстояние между кодировщиком и контроллерами. И последнее, но не менее важное: бюджет является ключевым фактором.

Типы энкодеров


Наиболее важный выбор энкодеров определяется условиями рабочей среды и сводится к типу сенсорной технологии. Три самых популярных типа датчиков это: оптический, магнитный и индуктивный.

Оптические энкодеры


В оптических энкодерах диск с градуировкой устанавливается на объект, для измерения скорости или положения, обычно это вал двигателя. При измерении диск проходит между светодиодным лучом и фотодетектором, прикрепленным к корпусу энкодера. Масштаб преобразователя либо пересекает луч для генерации последовательности прямоугольных импульсов, либо генерирует двоичное цифровое слово (цепочку символов или битов). В обоих случаях, на основе этих данных сообщаются положение или скорость. При использовании линейных оптических преобразователей и светодиодный источник, и детектор перемещаются при фиксированной линейной шкале.

Преимуществом оптических датчиков перемещения является высокое разрешение. Это делает их подходящими для сложных научных и промышленных приложений, требующих точного измерения углового или линейного положения с чрезвычайно высокой точностью.

В качестве недостатка преобразователей данного типа специалисты отмечают их чувствительность к загрязнениям. Поэтому они не рекомендуются для работ, характеризующихся высоким уровнем пыли, влаги или агрессивных химикатов. Оптические энкодеры со стеклянной несущей подложкой также уязвимы к ударам и вибрации.

Магнитные энкодеры


Этот тип преобразователя работает по тому же принципу что и оптические. Но вместо оптических градуированных дисков магнитные энкодеры имеют особую конструкцию, которая создает помехи в магнитном поле. Это могут быть зубчатые колеса из черных металлов, барабаны, переменные магнитные диски, линейные шкалы и т. д.

Домены создают переменное магнитное поле. Их можно обнаружить с помощью различных технологий, включая простые магнитные датчики или магнитострикционные детекторы, которые обеспечивают более высокую скорость измерения. В качестве альтернативы можно использовать датчики Холла. Это преобразователи, которые изменяют свое выходное напряжение в результате изменения напряженности магнитного поля. Эти датчики используются в современных точных приложениях, а также для бесконтактного переключения, позиционирования и определения скорости. Они представляют собой надежное и экономичное решение, сочетающее высокую чувствительность и разрешение с более высокой устойчивостью к ударным нагрузкам.

Преимущество магнитных энкодеров в том, что они традиционно устойчивы к суровым условиям, что делает их пригодными для многих промышленных применений.

Датчики этого типа могут работать под водой, в пыли, а также в условиях сильной вибрации. Они также подходят для бюджетных приложений, так как относительно экономичны.

Недостатком магнитных преобразователей является то, что они чувствительны к сильным магнитным полям и обычно нуждаются в специальной защите. Кроме того, чрезмерные ударные нагрузки и высокие температуры могут размагнитить магнитные домены.

Магнитные энкодеры также характеризуются более низким разрешением, чем оптические. Датчики Холла лучше всего подходят для промышленного применения в грязных, пыльных и агрессивных средах.

Индуктивные энкодеры


Индуктивные энкодеры тесно связаны с резольверами. Последние представляют собой дифференциальные трансформаторы, которые определяют абсолютное угловое положение вращающейся нагрузки, отслеживая напряжения в паре считывающих катушек. Первичная обмотка присоединена к ротору, и на него подается питание, а вторичная синусоидальная и вторичная косинусоидальная обмотки прикреплены к статору. Вращение первичной обмотки вызывает ток во вторичных обмотках.

Резольверы чрезвычайно прочные, но их часто сложно установить. Индуктивные энкодеры разработаны специально для устранения этого недостатка. Вместо обычных обмоток они имеют плоские элементы, литографически нанесенные на печатную плату. Все три обмотки находятся на одной печатной плате и крепятся к статору. Проводящий диск, установленный на роторе или валу, возбуждает катушки.

Среди преимуществ этого типа энкодеров — очень высокое разрешение. Они устойчивы к грязи, жидкостям, экстремальным температурам, ударам и вибрации. Они проще в использовании, чем резольверы, и более компактны, особенно в так называемых вихревых конструкциях, в которых для проводящего диска используется тонкая не содержащая железа пленка.

Индуктивные преобразователи тоже имеют недостатки. Хотя индукторы прочные, но токопроводящие диски скрывают потенциальные проблемы. Выбор правильной подложки для диска очень важен. Не рекомендуется использовать диски из мягкого железа в условиях экстремальных температур. Подложки из железа или феррита можно использовать в сильномагнитных полях, но обычно требуется защитное экранирование. Индуктивные энкодеры лучше всего подходят для приложений, где есть сочетание агрессивных условий окружающей среды и требований высокого разрешения и точности.

Возврат в исходное положение


Энкодеры также можно разделить на инкрементальные и абсолютные.
Инкрементальные энкодеры — это электромеханические датчики, которые отслеживают подъем (или шаги измерения) из любого произвольного начального положения, установленного при запуске. Важной особенностью является то, что если они выключены или повреждены, их нужно вернуть в исходное положение (переустановку) перед новым измерением.

Абсолютные энкодеры устанавливают уникальную цифровую комбинацию символов для каждой угловой позиции. Поэтому по запросу датчик всегда может восстановить угловое положение измерительного прибора.

Наиболее подходящие применения абсолютных энкодеров включают сценарии, в которых возвращение в исходное положение в любой точке траектории может привести к отказу или опасным условиям. Примеры таких областей применения включают хирургических роботов, автомобильных роботов, а также взаимосвязанные механизмы или оси, которые могут выйти из строя после сбоя питания. В некоторых случаях даже время, потраченное на возвращение в исходное положение, может отрицательно сказаться на производительности.

Градуировка диска инкрементного энкодера включает специальную шкалу, состоящую из концентрических кругов с чередующимися непрозрачными и прозрачными зонами, которые генерируют серию прямоугольных импульсов. Несущая подложка абсолютных энкодеров предназначена для создания уникальной цифровой комбинации символов для каждого углового положения.

Выбор разрешения


Выбор разрешения — это, пожалуй, самая большая проблема при выборе кодировщика. Существует широко распространенное мнение, что кодировщик с более высоким разрешением автоматически повысит точность позиционирования. Тем не менее, это не всегда так. Точность любой системы позиционирования ограничена механикой. В поворотных (угловых) энкодерах разрешение в импульсах измеряется на оборот. Даже кодер с самым высоким разрешением был бы неэффективен, если бы в градуировке было так много делений, что его нельзя было бы надежно расположить с требуемой точностью. Потребители часто думают, что более высокое разрешение автоматически означает, что их система более точна, хотя на самом деле это просто означает, что энкодер имеет более широкий диапазон возможностей измерения. В лучшем случае будут ненужные затраты на более дорогой кодировщик, и система не сможет достичь целей позиционирования. В худшем случае ось начнет прыгать вперед и назад в поисках заданной позиции. Это может замедлить работу или даже повредить ось.

Чтобы определить разрешение, рекомендуется начать с определения минимального расстояния приращения, требуемого приложением. Выбор разрешения, которое примерно в четыре раза превышает минимальный шаг измерения, является подходящим соотношением. Для более чувствительных приложений его можно увеличить до 10 раз. Инвестиции в гораздо более высокое разрешение, чем это, скорее всего, будут оправданы только в ограниченном наборе высокоточных приложений. Поэтому распространенное мнение, что по умолчанию лучше всего просто выбрать решение с самым высоким разрешением, неверно. Даже в очень небольшом проценте приложений слишком высокое разрешение может вызвать проблемы.

Кодировщик получает столько показаний, что данные просто превращаются в шум. Поэтому практический выбор определяется наименьшим шагом, который нужно измерить. Эксперты советуют, что решение, в четыре раза превышающее количество делений, – самый подходящий вариант.

Разрешение линейных энкодеров измеряется количеством импульсов на единицу расстояния (например, импульсов на миллиметр и т. д.). Градуировка имеет фиксированный шаг, определяемый делениями, нанесенными на эталон и считываемыми головкой датчика. Существует большая разница между разрешением, требуемым приложением, и разрешением, которое реально может быть достигнуто в рабочих условиях. Для вращающегося инкрементального энкодера угловая скорость или количество оборотов в минуту, и рабочая частота в герцах определяют количество импульсов, которые могут быть переданы аппаратным обеспечением. Рабочая частота фиксируется в соответствии с электроникой энкодера. Он устанавливается производителем и обычно составляет порядка килогерц или мегагерц.

Чтобы упростить выбор кодировщика, производители предоставляют графики разрешения данных в зависимости от скорости. Эта графика специфична для каждого кодировщика и позволяет достичь оптимального баланса между скоростью и производительностью.

Возможности подключения


Поскольку абсолютные энкодеры передают комбинации цифровых символов, а не аналоговые сигналы, они предлагают множество различных вариантов связи, в том числе:

Параллельная разводка: это пара проводов для каждого бита данных. Параллельная разводка отправляет каждый бит за раз, но для этого требуется больше проводов, что усложняет систему и требует дополнительных затрат;

Последовательные интерфейсы: они отправляют все биты информации через общий интерфейс, но последовательно, по одному. Это снижает количество необходимых проводов, стоимость, сложность и возможность ошибок;

Подключение к шине: полевые шины, такие как CAN, Profibus, Modbus и т. д., позволяют подключать несколько управляемых устройств по принципу Master / Slaves;

Industrial Ethernet (промышленный): поддерживает подключение очень большого количества устройств с очень высокой скоростью передачи данных. Существует широкий выбор протоколов, включая Ethernet / IP, EtherCAT, ProfiNET, DeviceNet, CANopen, IO LINK и др.

Механические требования


Прежде чем энкодер сможет обеспечивать обратную связь, он должен быть механически установлен в системе. Доступно множество вариантов монтажа. Основными факторами, которые рекомендуется учитывать, являются: доступное пространство, желаемая конфигурация, а также механические характеристики вала двигателя и нагрузка, которая будет взаимодействовать с энкодером.

По этим показателям преобразователи можно разделить на датчики с цельным (сплошным) или полым валом. Муфты могут быть угловыми, линейными и компенсировать осевой зазор вала двигателя, уменьшая износ подшипников. Однако такая конфигурация может поставить под угрозу способность системы обеспечивать точную обратную связь.

Энкодеры с полым валом имеют одно существенное преимущество перед датчиками со сплошным валом, в которых электрический ток проходит вдоль линии вала к электронным компонентам. Для датчиков с полым валом не связан с валом двигателя. Это исключает прохождение электрических импульсов по валу, и предотвращает повреждение электроники.

Еще одно важное механическое соображение — это выбор преобразователя с подходящим подшипником. Подшипники — это наиболее часто встречающиеся участки, подверженные повреждению энкодеров и приводящие к ограничению скорости. Важно убедиться, что подшипник выдерживает не только размер, но и тип нагрузки.

Радиальная нагрузка проявляет силы, отличные от осевой, и каждая приложенная нагрузка влияет на производительность и срок службы энкодера, если она специально не выбрана и не рассчитана в соответствии с требованиями конкретной задачи.

В зависимости от области применения более подходящим выбором могут быть датчики без подшипников. В них градуированный диск прикреплен к вращающемуся валу двигателя, а статическая часть энкодера прикреплена к передней части двигателя. В результате отпадает зависимость в несущем элементе, который является одним из основных по ограничению срока службы и скорости кодировщика.

Производители датчиков линейных и угловых перемещений предлагают различные варианты монтажа, включая передние фланцы, сервофланцы, квадратные фланцы для энкодеров с жестким валом и крепежные элементы для версий с полым валом. Внесение изменений в поле — подходящий метод для эффективной адаптации энкодера к конструкции системы привода. Однако такой подход может иметь обратный эффект. Многие пользователи думают, что достаточно просто просверлить соответствующие отверстия и установить энкодер, но упускают из виду, что установка должна быть чрезвычайно точной, чтобы гарантировать точность датчика, заявленную производителем. Ни при каких обстоятельствах не рекомендуется изменять заводскую монтажную конфигурацию.

Таким образом, правильный выбор кодировщика в соответствии с приложением — это вопрос оценки множества возможностей. Стоит отметить, что на рынке доступны как стандартные, так и специализированные кодировщики. Выбор наиболее подходящего решения может быть сделан только после сбора достаточной информации о приложении.

Важно, чтобы тип преобразователя и его разрешение действительно соответствовали рабочей задаче, чтобы не вызвать негативных последствий в работе системы.

Поделиться ссылкой:

Комментарии отключены.

Mission News Theme by Compete Themes.