Энкодеры распространены в продуктах управления движением, а поворотные энкодеры являются ключевыми компонентами контуров обратной связи управления движением, включая оборудование для промышленной автоматизации и управления технологическими процессами, робототехнику, медицинское оборудование, энергетику, аэрокосмическую промышленность и т. д.
Как устройства, преобразующие механическое движение в электрические сигналы, энкодеры предоставляют инженерам основные данные, такие как положение, скорость, расстояние и направление, которые можно использовать для оптимизации работы всей системы.
Оптические, магнитные и емкостные датчики являются тремя основными технологиями кодирования, доступными для инженеров. Однако необходимо учитывать ряд факторов, чтобы определить, какая технология лучше всего подходит для конечного применения.
В этой статье будет представлен обзор технологий оптических, магнитных и емкостных энкодеров, а также кратко рассмотрены преимущества и недостатки каждой технологии.
1. Оптический энкодер
Оптические энкодеры уже много лет пользуются популярностью на рынке приложений для управления движением. Он состоит из светодиодного источника света (обычно источника инфракрасного света) и фотодетектора, которые расположены по обеим сторонам кодовой пластины энкодера.
Кодовая табличка изготовлена из пластика или стекла с рядом прозрачных и непрозрачных линий или прорезей, расположенных через определенные промежутки времени. Когда кодовый диск вращается, оптический путь светодиода блокируется линиями или прорезями, расположенными на кодовом диске с интервалами, таким образом генерируя два типичных прямоугольных импульса A и B ортогональных импульсов, которые можно использовать для определения вращения и скорости оси. .
Технический анализ оптических, магнитных и емкостных энкодеров
Рисунок 1: Типичные ортогональные импульсы A и B для оптических энкодеров, включая индексные импульсы (Фото: CUI Devices)
Хотя оптические энкодеры широко используются, они все же имеют ряд недостатков. В пыльных и грязных условиях, таких как промышленные предприятия, загрязняющие вещества могут скапливаться на кодовой пластине, что блокирует передачу света светодиода на оптический датчик.
Надежность и точность оптического энкодера сильно ухудшаются, потому что загрязненный кодовый диск может привести к разрыву или полной потере прямоугольной волны.
Светодиоды имеют ограниченный срок службы и со временем перегорают, что приводит к выходу из строя энкодера. Кроме того, стеклянные или пластиковые кодовые диски подвержены повреждениям из-за вибрации или экстремальных температур, что ограничивает применимость оптических энкодеров в тяжелых условиях эксплуатации; Сборка его в двигатель не только занимает много времени, но и сопряжена с большим риском загрязнения.
Наконец, если разрешение оптического энкодера высокое, он будет потреблять более 100 мА тока, что еще больше повлияет на его применение в мобильных устройствах или устройствах с батарейным питанием.
2. Магнитный энкодер
Магнитные энкодеры по структуре аналогичны оптическим энкодерам, но используют магнитное поле, а не световой луч. Магнитные энкодеры заменяют оптические кодовые диски с прорезями на магнитные кодовые диски с разнесенными магнитными полюсами, которые вращаются на ряду датчиков Холла или датчиков сопротивления.
Любой поворот кодовой пластины вызовет срабатывание этих датчиков, и результирующий сигнал будет передан на входную схему формирования сигнала для определения положения вала.
Преимущество магнитных энкодеров по сравнению с оптическими энкодерами заключается в том, что они более долговечны, устойчивы к вибрации и ударам. Кроме того, производительность оптических энкодеров сильно снижается в случае загрязнения, такого как пыль, грязь и масляные пятна, в то время как на магнитные энкодеры это не влияет, что делает их идеальными для применения в суровых условиях.
Однако электромагнитные помехи, создаваемые двигателями (особенно шаговыми двигателями), будут иметь большое влияние на магнитный энкодер, а изменения температуры также вызовут дрейф его положения.
Кроме того, разрешение и точность магнитных энкодеров относительно низки и в этом отношении намного меньше, чем у оптических и емкостных энкодеров.
3. Емкостной энкодер
Емкостный энкодер состоит из трех основных частей: ротора, неподвижного передатчика и неподвижного приемника. Емкостное зондирование использует полоску или линейный узор с одним полюсом на неподвижном элементе и ДРУГИМ полюсом на ДВИЖУЩЕМСЯ элементе, чтобы сформировать переменный конденсатор, сконфигурированный как пара приемников/передатчиков.
На ротор нанесена синусоидальная форма, которая создает определенный, но предсказуемый сигнал при вращении вала двигателя. Затем этот сигнал преобразуется встроенной ASIC энкодера для расчета положения и направления вращения оси.
Технический анализ оптических, магнитных и емкостных энкодеров
Рисунок 2: Сравнение дисков энкодера (Фото: CUI Devices)
4. Емкостной энкодер
Емкостный энкодер работает по тому же принципу, что и цифровой штангенциркуль, поэтому он представляет собой решение, устраняющее многие недостатки оптических и магнитных энкодеров.
Емкостная технология, используемая в линейке энкодеров AMT компании CUI Devices, зарекомендовала себя как очень надежная и точная.
Поскольку не требуются светодиоды или прямая видимость, емкостные энкодеры могут достигать желаемых результатов даже при столкновении с загрязнителями окружающей среды, которые могут неблагоприятно воздействовать на оптические энкодеры, такими как пыль, грязь и масляные пятна.
Кроме того, он менее чувствителен к вибрации и экстремально высоким/низким температурам, чем стеклянные кодовые диски, используемые в оптических энкодерах.
Как упоминалось ранее, емкостные энкодеры, как правило, имеют более длительный срок службы, чем оптические энкодеры, потому что светодиоды не перегорают.
В результате емкостный энкодер имеет меньший размер корпуса и потребляет меньший ток во всем диапазоне разрешений от 6 до 18 мА, что делает его более подходящим для приложений с батарейным питанием.
Поскольку надежность, точность и разрешение емкостной технологии выше, чем у магнитного энкодера, электромагнитные помехи и электрические шумы, с которыми сталкивается последний, не оказывают на него большого влияния.
Кроме того, цифровая природа емкостных энкодеров дает ключевые преимущества с точки зрения гибкости и программируемости. Поскольку разрешение оптического или магнитного энкодера определяется пластиной энкодера, каждый раз, когда требуются другие разрешения, используется новый энкодер, что приводит к увеличению времени и стоимости проектирования и производственного процесса.
Тем не менее, емкостные энкодеры имеют ряд программируемых разрешений, что избавляет разработчиков от необходимости заменять энкодер каждый раз, когда требуется новое разрешение, что не только сокращает запасы, но также упрощает точную настройку контура ПИД-регулирования и оптимизацию системы.
Емкостные энкодеры обеспечивают цифровое выравнивание и индексацию импульсов. Установки при запуске двигателя BLDC задействованы, задача, которая может быть повторяющейся и занимать много времени для оптических энкодеров.
Встроенные возможности диагностики предоставляют разработчикам дополнительный доступ к системным данным для оптимизации системы или устранения неполадок в полевых условиях.
Технический анализ оптических, магнитных и емкостных энкодеров
Рис. 3. Сравнение ключевых показателей производительности для емкостных, оптических и магнитных технологий (Фото: CUI Devices)
5. Взвесьте свои возможности
Во многих приложениях управления движением температура, вибрация и загрязнители окружающей среды являются важными факторами, с которыми приходится сталкиваться энкодерам. Оказывается, емкостные энкодеры могут решить эти проблемы.
По сравнению с оптическими или магнитными технологиями он предоставляет разработчикам надежные, точные и гибкие решения.
Кроме того, емкостные энкодеры добавляют программируемость и диагностику, цифровую функцию, которая делает их более подходящими для современных приложений Интернета вещей (IoT) и промышленного Интернета вещей (IIoT).