Enkodery są powszechne w produktach do sterowania ruchem, a enkodery obrotowe są kluczowymi elementami pętli sprzężenia zwrotnego sterowania ruchem, w tym urządzeń automatyki przemysłowej i kontroli procesów, robotyki, sprzętu medycznego, energetyki, lotnictwa itp.
Jako urządzenia przetwarzające ruch mechaniczny na sygnały elektryczne, enkodery dostarczają inżynierom podstawowych danych, takich jak położenie, prędkość, odległość i kierunek, które można wykorzystać do optymalizacji wydajności całego systemu.
Optyczne, magnetyczne i pojemnościowe to trzy główne technologie enkoderów dostępne dla inżynierów. Istnieje jednak wiele czynników, które należy wziąć pod uwagę, aby określić, która technologia jest najlepsza do ostatecznego zastosowania.
Ten artykuł zawiera przegląd technologii enkoderów optycznych, magnetycznych i pojemnościowych oraz krótko omawia zalety i wady każdej technologii.
1. Enkoder optyczny
Enkodery optyczne są od wielu lat popularnym wyborem na rynku aplikacji do sterowania ruchem. Składa się ze źródła światła LED (zwykle źródła światła podczerwonego) oraz fotodetektora, które znajdują się po obu stronach płytki kodowej enkodera.
Tabliczka kodowa jest wykonana z tworzywa sztucznego lub szkła, z szeregiem przezroczystych i nieprzezroczystych linii lub szczelin rozmieszczonych w odstępach. Kiedy dysk kodowy obraca się, ścieżka optyczna diody LED jest blokowana przez linie lub szczeliny rozmieszczone w odstępach na dysku kodowym, generując w ten sposób dwa typowe impulsy prostopadłe A i B o fali prostokątnej, które można wykorzystać do określenia obrotu i prędkości osi .
Analiza techniczna enkoderów optycznych, magnetycznych i pojemnościowych
Rysunek 1: Typowe impulsy ortogonalne A i B dla enkoderów optycznych, w tym impulsy indeksujące (zdjęcie: CUI Devices)
Chociaż enkodery optyczne są szeroko stosowane, nadal mają kilka wad. W zakurzonych i brudnych środowiskach, takich jak zastosowania przemysłowe, zanieczyszczenia mogą gromadzić się na tabliczce kodowej, blokując w ten sposób transmisję światła LED do czujnika optycznego.
Niezawodność i dokładność enkodera optycznego są znacznie zagrożone, ponieważ zanieczyszczony dysk kodowy może prowadzić do nieciągłości lub całkowitej utraty fali prostokątnej.
Diody LED mają ograniczoną żywotność i ostatecznie przepalą się, prowadząc do awarii enkodera. Ponadto szklane lub plastikowe dyski kodowe są podatne na uszkodzenia w wyniku wibracji lub ekstremalnych temperatur, co ogranicza możliwość zastosowania koderów optycznych w trudnych warunkach środowiskowych; Zamontowanie go w silniku jest nie tylko czasochłonne, ale także niesie ze sobą większe ryzyko zanieczyszczenia.
Wreszcie, jeśli rozdzielczość enkodera optycznego jest wysoka, zużyje on ponad 100 mA prądu, co dodatkowo wpłynie na jego zastosowanie w urządzeniach mobilnych lub zasilanych bateryjnie.
2. Enkoder magnetyczny
Enkodery magnetyczne mają podobną budowę do enkoderów optycznych, ale wykorzystują raczej pole magnetyczne niż wiązkę światła. Enkodery magnetyczne zastępują szczelinowe optyczne dyski kodowe magnetycznymi dyskami kodowymi z rozmieszczonymi biegunami magnetycznymi, które obracają się na rzędzie czujników Halla lub czujników reluktancyjnych.
Każdy obrót płytki kodowej spowoduje reakcję tych czujników, a wynikowy sygnał zostanie przesłany do przedniego obwodu kondycjonowania sygnału w celu określenia położenia wału.
W porównaniu z enkoderami optycznymi, enkodery magnetyczne mają tę zaletę, że są bardziej trwałe, odporne na wibracje i uderzenia. Co więcej, działanie enkoderów optycznych jest znacznie obniżone w przypadku zanieczyszczeń, takich jak kurz, brud i plamy oleju, podczas gdy enkodery magnetyczne nie są naruszone, co czyni je idealnymi do zastosowań w trudnych warunkach środowiskowych.
Jednak zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez silniki (zwłaszcza silniki krokowe) będą miały duży wpływ na enkoder magnetyczny, a zmiany temperatury spowodują również dryft jego położenia.
Ponadto rozdzielczość i dokładność enkoderów magnetycznych są stosunkowo niskie i są pod tym względem znacznie mniejsze niż enkoderów optycznych i pojemnościowych.
3. Enkoder pojemnościowy
Enkoder pojemnościowy składa się z trzech głównych części: wirnika, nieruchomego nadajnika i nieruchomego odbiornika. Wykrywanie pojemnościowe wykorzystuje wzór paskowy lub liniowy z jednym biegunem na stałym elemencie i DRUGIM biegunem na ruchomym elemencie w celu utworzenia zmiennego kondensatora skonfigurowanego jako para odbiorników/nadajników.
Wirnik jest wytrawiony wzorem fali sinusoidalnej, która wytwarza specyficzny, ale przewidywalny sygnał, gdy wał silnika się obraca. Sygnał ten jest następnie przetwarzany przez wbudowany układ ASIC enkodera w celu obliczenia pozycji i kierunku obrotu osi.
Analiza techniczna enkoderów optycznych, magnetycznych i pojemnościowych
Rysunek 2: Porównanie dysków enkodera (Źródło zdjęcia: Urządzenia CUI)
4. Enkoder pojemnościowy
Enkoder pojemnościowy działa na tej samej zasadzie, co cyfrowa suwmiarka z noniuszem, dzięki czemu zapewnia rozwiązanie, które eliminuje wiele wad enkoderów optycznych i magnetycznych.
Technologia oparta na pojemności stosowana w linii koderów AMT firmy CUI Devices okazała się wysoce niezawodna i bardzo dokładna.
Ponieważ nie jest wymagana żadna dioda LED ani pole widzenia, enkodery pojemnościowe mogą osiągnąć pożądane rezultaty nawet w przypadku napotkania zanieczyszczeń środowiskowych, które mogą niekorzystnie wpływać na enkodery optyczne, takich jak kurz, brud i plamy oleju.
Ponadto jest mniej podatny na wibracje i ekstremalnie wysokie/niskie temperatury niż szklane dyski kodowe stosowane w enkoderach optycznych.
Jak wspomniano wcześniej, enkodery pojemnościowe mają zwykle dłuższą żywotność niż enkodery optyczne, ponieważ diody LED nie przepalają się.
W rezultacie enkoder pojemnościowy ma mniejszą obudowę i zużywa mniej prądu w całym zakresie rozdzielczości wynoszącym zaledwie od 6 do 18 mA, co czyni go bardziej odpowiednim do zastosowań zasilanych bateryjnie.
Ponieważ solidność, dokładność i rozdzielczość technologii pojemnościowej są wyższe niż w przypadku enkodera magnetycznego, zakłócenia elektromagnetyczne i szumy elektryczne napotykane przez te ostatnie nie mają na nie większego wpływu.
Ponadto cyfrowy charakter enkoderów pojemnościowych zapewnia kluczowe korzyści w zakresie elastyczności i programowalności. Ponieważ rozdzielczość enkodera optycznego lub magnetycznego jest określana przez płytkę enkodera, za każdym razem, gdy wymagane są inne rozdzielczości, używany jest nowy enkoder, co powoduje wzrost czasu i kosztów procesu projektowania i produkcji.
Jednak enkodery pojemnościowe mają szereg programowalnych rozdzielczości, co oszczędza projektantom kłopotów z wymianą enkodera za każdym razem, gdy potrzebna jest nowa rozdzielczość, co nie tylko zmniejsza zapasy, ale także upraszcza precyzyjne dostrajanie pętli sterowania PID i optymalizację systemu.
Enkodery pojemnościowe umożliwiają cyfrowe wyrównanie i indeksowanie ustawień impulsów podczas uruchamiania silnika BLDC, zadanie, które może być powtarzalne i czasochłonne w przypadku enkoderów optycznych.
Wbudowane funkcje diagnostyczne zapewniają projektantom dalszy dostęp do danych systemowych w celu optymalizacji systemu lub rozwiązywania problemów w terenie.
Analiza techniczna enkoderów optycznych, magnetycznych i pojemnościowych
Rysunek 3: Porównanie kluczowych wskaźników wydajności dla technologii pojemnościowych, optycznych i magnetycznych (zdjęcie: CUI Devices)
5. Zważ swoje opcje
W wielu aplikacjach sterowania ruchem temperatura, wibracje i zanieczyszczenia środowiska są ważnymi czynnikami wyzwania, z którymi muszą sobie radzić enkodery. Okazuje się, że enkodery pojemnościowe mogą sprostać tym wyzwaniom.
W porównaniu z technologiami optycznymi czy magnetycznymi zapewnia projektantom niezawodne, precyzyjne i elastyczne rozwiązania.
Co więcej, enkodery pojemnościowe dodają programowalność i diagnostykę, czyli funkcję cyfrową, która czyni je bardziej odpowiednimi do nowoczesnych aplikacji Internetu rzeczy (IoT) i Przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT).