Энкодеры — датчики угла поворота

Содержание

Введение

СКВТ, изобретенные еще в 1930‑х годах, до сих пор остаются актуальными и успешно применяются в качестве датчиков угла поворота.

Свою известность СКВТ обрели благодаря относительно простой конструкции, надежной работе в самых тяжелых условиях эксплуатации и очень высокой точности измерения (в двухотсчетном варианте) угла поворота вала в следящих системах сервисных прецизионных приводов. Конструкция и принцип работы СКВТ изложены в литературе . Примеры внешнего вида показаны на рис. 1.

Энкодеры - датчики угла поворота

Рис. 1. Внешний вид синусно-косинусных вращающихся трансформаторов СКВТ:
а) в корпусном варианте ВТ 2.5;
б) в бескорпусном варианте ВТ 71

Современные датчики угла поворота, использующие альтернативные физические принципы (фотоэлектрический, магниторезистивный, эффект Холла, вибро-, гироскопический и др.), привлекательны, но, к сожалению, не могут конкурировать с СКВТ ни по диапазонам, ни по совокупности параметров условий эксплуатации. Поэтому именно СКВТ сегодня наиболее востребованы в специальной и военной аппаратуре: до сих пор им нет равных по указанным параметрам.

Главные проблемы СКВТ, всегда сдерживавшие их широкое практическое применение, заключаются в необходимости разработки сложных схемотехнических приемов подсоединения и способов выделения результатов измерений.

Напомним кратко, с привлечением временных диаграмм, суть известных способов применения СКВТ для измерения углов поворота выходного исполнительного вала.

Фильтрация дребезга контактов механического энкодера

Механические энкодеры имеют встроенные переключатели, которые формируют сигнал на квадратурном выходе во время вращения.

Энкодеры - датчики угла поворотаДребезг контактов на выходе механического энкодера

Когда имеем дело с сигналами энкодера, основной проблемой является дребезг контактов. Он вызывает ошибочное определение направления вращения и величины поворота вала энкодера и делает использование энкодеров проблематичным. Мы можем избавиться от дребезга контактов, отфильтровывая его в программе или используя дополнительные схемы фильтрации.

Фильтрация шума в программном обеспечении микроконтроллера является одним из вариантов фильтрации, но она обладает некоторыми недостатками. Вам необходимо написать более сложный код для обработки шума. Фильтрация займет время обработки и внесет задержки в основной поток программы. Вам может потребоваться установить таймеры, чтобы игнорировать интервалы дребезга контактов. В конце концов, возможно, у вас не получится получить удовлетворительный и надежный результат.

Фильтрация шума с помощью дополнительных аппаратных средств проще, и она останавливает шум еще в его источнике. Вам понадобится RC фильтр первого порядка. На рисунке ниже вы можете увидеть, как выглядит сигнал после использования RC фильтра.

Энкодеры - датчики угла поворотаRC фильтр и форма сигнала на его выходе

RC-фильтр замедляет время спада и время нарастания и обеспечивает аппаратное удаление дребезга контактов. При выборе пары резистор-конденсатор вы должны учитывать максимальную частоту вращения. Иначе будет отфильтрован и ожидаемый отклик энкодера.

Принципы работы и устройство энкодеров

Существует два вида энкодеров по конструкции и виду выходного сигнала – инкрементальный (инкрементный) и абсолютный.

Инкрементальный энкодер устроен  проще сравнению с абсолютным, и используется в большинстве случаев. Такой энкодер можно представить как диск с прорезями, который просвечивается оптическим датчиком. При вращении этого диска датчик будет активироваться или деактивироваться зависимости от своего положения над прорезью. В результате на выходе энкодера формируется последовательность дискретных импульсов, частота которых зависит от разрешения энкодера и его частоты вращения.

Разрешение и максимальная частота вращения обратнозависимы – ведь не может же частота выходных импульсов исчисляться гигагерцами. Обычно выходная частота ограничена значением около 500 кГц. Да и не всякий контроллер “скушает” такую частоту. Делаем вывод: энкодер с разрешением 1000 имп/оборот (наиболее распространенный) не может крутиться с частотой выше 500 Гц или 30000 об/мин. Но такие скорости в механике я лично не встречал. Делаем второй вывод: высокое разрешение не всегда хорошо.

Пример, поясняющий работу энкодера:

Конструкция, поясняющая работу оптического энкодера

На фото – не энкодер, но данная конструкция в первом приближении прекрасно иллюстрирует работу и устройство инкрементального оптического энкодера. Про щелевой оптический датчик я писал в статье про оптические датчики, там подробнее.

Основной минус инкрементального энкодера – необходимость непрерывной обработки его выходного сигнала. Кроме того, чтобы узнать положение инкрементального энкодера после подачи на него питания, необходимо провести инициализацию для поиска нуль-метки (что это такое – расскажу позже) либо для поиска нулевого положения механизма.

Абсолютный энкодер имеет более сложное устройство, но он позволяет определить угол поворота в любой момент времени, даже в неподвижном состоянии механизма сразу после включения питания. Говоря простыми словами, выходной сигнал у него – это параллельный код (например, 8-разрядный, имеющий 256 значений), который соответствует углу поворота. Соответствующую конфигурацию имеют и прорези в диске энкодера.

Абсолютные энкодеры работают в сложном оборудовании – там, где в любой момент времени (в том числе, в момент подачи питания) нужно знать точное положение объекта. Но сейчас, с появлением дешевых контроллеров с энергонезависимой памятью, в 99% используются инкрементальные энкодеры. Тем более учитывая, что их цена в несколько раз ниже, чем у абсолютных. Да и обрабатывать последовательные импульсы гораздо проще, чем параллельный код.

Бывают энкодеры не оптического принципа работы. Но я про них ничего рассказывать не буду, поскольку не имел с ними дела..

Простое приложение

Мы создадим приложение, демонстрирующее, как использовать поворотный энкодер в проекте на Arduino. Мы будем использовать энкодер для навигации, ввода данных и выбора. Ниже приведена принципиальная схема приложения.

Энкодеры - датчики угла поворотаПринципиальная схема примера приложения с использованием поворотного энкодера на Arduino

Схема построена на базе платы Arduino Uno. Для графического интерфейса используется LCD дисплей Nokia 5110. В качестве средств управления добален механический поворотный энкодер с кнопкой и RC-фильтрами.

Энкодеры - датчики угла поворотаСобранная схема примера использования поворотного энкодера на Arduino

Мы разработаем простое программное меню, в котором и продемонстрируем работу поворотного энкодера.

Сигнал квадратурного выхода инкрементального энкодера

Инкрементальный поворотный энкодер во время поворота вала генерирует два выходных сигнала, что также называется квадратурным выходом. В зависимости от направления один сигнал опережает другой. Ниже вы можете увидеть форму выходного сигнала инкрементального поворотного энкодера и ожидаемую последовательность битов.

Энкодеры - датчики угла поворотаСигналы на выходах инкрементального поворотного энкодера при вращении вала по часовой стрелке и против

Как видно из рисунка, оба выхода в изначально находятся в состоянии логической единицы. Когда вал энкодера начинает вращаться в направлении по часовой стрелке, первым падает до логического нуля состояние на выходе A, а затем с отставанием за ним следует и выход B. При вращении против часовой стрелки всё происходит наоборот. Временные интервалы на диаграмме сигнала зависят от скорости вращения, но отставание сигналов гарантируется в любом случае. На основе этой характеристики инкрементального поворотного энкодера мы напишем программу для Arduino.

Инкрементальный энкодер принцип работы

Энкодеры - датчики угла поворота

Имея более простую конструкцию, преобразователь формирует импульсы, благодаря которым устройство приёма информации определяет нынешнее положение объекта, подсчитывая счётчиком число импульсов. Сразу после приведения данного вида ДУПа в действие положение интересующего объекта (вала) неизвестно. Для подключения системы отсчёта непосредственно к отсчётному началу такие датчики оснащены нулевой меткой. Через них валу необходимо пройти после соответствующего включения устройства.

Популярные статьи  Как делятся электроустановки по условиям электробезопасности

Из недостатков данного вида датчиков можно выделить то, что определить пропуск импульсов от преобразователя не представляется возможным. Это соответственно является причиной накопления ошибки при выявлении поворотного угла объекта (пока он не пройдёт нуль-метку). Для выявления направления поворота используется пара измерительных каналов – косинусный и синусный. В них одинаковые импульсные последовательности перемещены ровно на 90 градусов относительно обоих каналов.

Амплитудный способ получения данных СКВТ

Этот способ традиционно используется чаще других и заключается в возбуждении первичной обмотки синусоидальным током, полученным от генератора высококачественного гармонического сигнала с частотой от 1 до 20 кГц в зависимости от типа СКВТ. Далее, для выделения данных, заложенных в амплитудах считанных сигналов с косинусной и синусной обмоток, необходимо их демодулировать.

Временные диаграммы возбуждающего и выходных напряжений на обмотках СКВТ показаны на рис. 2.

Энкодеры - датчики угла поворота

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений на обмотках СКВТ:
1. Красный график — сигнал модуляции на первичной обмотке возбуждения.
2. Синий график — ФКМ-сигнал на выходной синусной обмотке.
3. Зеленый график — ФКМ-сигнал на выходной косинусной обмотке.
4. Черный график — косинусный сигнал СКВТ на выходе фазового демодулятора.
5. Черный график — косинусный сигнал СКВТ после фильтрации модулирующей частоты

По виду сигналы на рис. 2 (второй и третий сверху) принято называть фазо-кодо-манипулированными (ФКМ). Они описываются известными формулами:

Энкодеры - датчики угла поворота

где j(t) — угол поворота выходного вала СКВТ. (Показан случай равномерного вращения.)

Функциональная схема формирования сигналов управления и обработки данных СКВТ показана на рис. 3а, а на рис. 3б приведена схема одного из главных узлов фазового демодулятора.

Рис. 3.
а) Функциональная схема обработки сигналов СКВТ;
б) схема фазового демодулятора

Ведущий генератор меандра Gen2 синхронизирует генератор синусоидального тока Gen1 и, кроме того, передает этот меандр в фазовые демодуляторы. Фазовый демодулятор представляет собой повторитель напряжения с управляемой полярностью сигнала на выходе. Отфильтрованный выходной косинусный сигнал (пятый график на рис. 2) и есть результат работы СКВТ.

Аналогично поступают с ФКМ-синусным сигналом.

Ответственными узлами за точность полученных результатов работы, а потому и схемотехнически сложными, являются генераторы модуляции Gen1 и Gen2, формирующие меандр и высококачественный гармонический сигнал со стабилизированной амплитудой, фазовые демодуляторы и фильтры.

Полная электрическая схема обработки сигналов СКВТ оказывается непростой и обычно вызывает у разработчиков желание поискать какой-нибудь датчик попроще…

Подключение энкодера

Энкодер никогда не работает сам по себе. Он всегда подключается к устройству обработки сигналов, с помощью которого можно переварить и проанализировать импульсы на его выходах. Подключить энкодер легко – ведь это фактически датчик с транзисторными выходами. В простейшем случае, выход энкодера можно подключить ко входу счетчика, и запрограммировать его на измерение скорости или длины.

Но чаще всего выходные сигналы энкодера обрабатываются в контроллере. А далее путем расчетов можно получить информацию о скорости, направлении вращения, ускорении, положении объекта.

Энкодеры подключают не только к контроллеру. Он также может подключаться к преобразователю частоты, питающему электродвигатель. Таким образом , появляется возможность точного позиционирования, а также поддержания нужной скорости и момента вращения двигателя без использования контроллера. Это называется векторным управлением.

Монтаж и подключение датчиков поворота

Как правило, энкодеры устанавливают на валах, с которых нужно считывать информацию. Чтобы компенсировать различия в размерах, используют переходные муфты

Важно прочно закрепить корпус датчика при монтаже

Чаще всего угловые энкодеры работают вместе с контроллерами. Преобразователь подключают к нужным выходам. Затем программа определяет положение объекта в текущий момент, его скорость и ускорение.

Варианты подключения

В самом простом варианте, энкодер подключают к счетчику, запрограммированному измерять скорость.

Однако чаще работа энкодера осуществляется вместе с контроллером. Примером служат датчики поворота на валах двигателей, совмещающих какие-либо детали между собой. С помощью вычислений на основе поступающих данных, система отслеживает зазор между деталями. Когда достигнуто некоторое минимальное значение, совмещение деталей останавливается, чтобы их не повредить.

Другой случай — подключение энкодеров на двигателях с частотными преобразователями, где они служат элементами обратной связи. Здесь принцип того, как подключить устройство, еще проще. Датчик угла поворота подключается к ним с помощью платы сопряжения. Это позволяет точно поддерживать скорость и момент двигателя.

При использовании самодельного энкодера, сделанного своими руками, способ подключения может быть другим. Желательно проверить оба перечисленных варианта, доведя устройство до исправной работы.

После подключения желательно проверить все мультиметром.

Возможно, вам также будет интересно

Вихретоковый датчик состоит из вихретокового пробника, удлинительного кабеля и драйвера (рис. 1), поэтому датчик часто называют вихретоковой датчиковой системой (ВДС). Вихретоковый пробник  это металлический зонд с диэлектрическим наконечником (в который заключена катушка) на одном конце и отрезком коаксиального кабеля на другом. С помощью коаксиального удлинительного кабеля пробник подключается к драйверу. Драйвер (от английского driver ,

Современный рынок информационных технологий ознаменован быстрым развитием встраиваемых систем, предназначенных для решения задач управления в реальном времени. Однако во многих новых устройствах со встроенной сетевой организацией по передаче информации традиционная шинно-ориентированная архитектура просто не в состоянии управиться с арбитражем шины при широкополосной передаче больших массивов данных. Решением данной задачи стало применение «усовершенствованной высокопроизводительную шины» (Advanced

IoT-шлюз KBoxA-203-AI-GC в формате промышленного компьютера Box-PC на базе Intel Atom в скором времени будет доступен со встроенным модулем Google Coral Edge TPU для распознавания изображений и других AI-приложений.
Компания «РТСофт» и международный холдинг Kontron, мировой лидер в области технологий «Интернета вещей» и ВКТ (встраиваемых компьютерных технологий), представляют новую AI-платформу в формате промышленного компьютера KBox на базе процессора Intel Atom x7-E3950. Компьютер KBox представляет собой готовое устройство для ускоренного создания разработчиками собственных систем …

Подключение

В самом лёгком варианте, если имеется возможность, выход преобразователя подключается к входу счётчика и программируется на параметр скорости.

Однако обычно преобразователь используют вместе с контроллером. К нему присоединяют интересующие выходы. Далее программа определяет положение/скорость/ускорение объекта. К примеру, устройство установлено на электродвигательном валу, перемещающем один элемент в сторону другого. После вычислений на устройстве вывода виден зазор между элементами, при достижении которого движение элементов останавливается, для обеспечения их сохранности.

Типы приборов

Устройства бывают нескольких типов. Типы энкодеров: инкрементальные и абсолютные, оптические и механические. Далее будет рассмотрено, что такое энкодер инкрементального типа, а затем обозрены другие типы.

Инкрементальные энкодеры

Они распространены больше всего. В инкрементальном варианте вращательное движение вала преобразовывается в электрические импульсы. Его конструкция состоит из диска с прорезями и оптических датчиков.

Конструкция датчиков поворота данного типа, не позволяет им сообщать свое абсолютное состояние, а только величину изменения положения. Простой образец инкрементального устройства — шайба регулировки громкости автомобильной магнитолы.

Этот вид работает следующим образом. У него есть начальная нуль-метка, или выход Z, и два дополнительных выхода — A и B. Датчик создает две линии сигналов со смещенными на четверть фазы импульсами относительно друг друга. Разница импульсов указывает на направление вращения, а их количество — на угол поворота.

Разновидность инкрементальных энкодеров — сдвоенные, или квадратурные. Они состоят из двух датчиков, которые срабатывают со смещением в полшага. Квадратурные считают количество импульсов и учитывают направление.

У инкрементальных два главных минуса. Во-первых, нужно постоянно обрабатывать и анализировать сигнал, для чего используют контроллер и специальную программу. Во-вторых, они требуют синхронизации с нулевой меткой после включения. Для этого требуется инициализация для поиска выхода Z.

Популярные статьи  Схема стабилизатора напряжения 220в своими руками

Абсолютные энкодеры

Датчики такого типа устроены более сложно. Но они позволяют определить величину угла поворота сразу после включения, не требуя синхронизации с нулевой меткой.

В основе конструкции поворотный круг, разделенный на одинаковые по размеру пронумерованные секторы. После включения устройства определяется номер сектора, на котором оно находится. Такое решение позволяет сразу зафиксировать положение, угол и направление вращения.

Принцип работы абсолютного энкодера основан на использовании кода Грея для определения текущего положения и других параметров. В них не требуется синхронизация с нулевым значением.

Единственный существенный недостаток этого типа угловых датчиков — необходимость все время переводить код Грея в двоичный код для регистрации положения датчика.

Многооборотные датчики поворота

Абсолютные энкодеры могут быть однооборотными и многооборотными.

Однооборотные показывают абсолютное значение после одного оборота. После этого код возвращается к начальному значению. Такие датчики используют в основном для измерения угла поворота.

Если нужно измерять обороты в системах с линейным перемещением, используют многооборотные энкодеры. В них есть дополнительный передаточный механизм, благодаря чему они регистрируют, помимо угла поворота, количество оборотов.

Оптические энкодеры

Диск оптического энкодера изготавливают из стекла. Отличие этого типа угловых датчиков, в наличии оптического растора, перемещающегося при вращении вала. При этом он создает поток света, который регистрирует фотодатчик.

Каждому положению энкодера соответствует определенный цифровой код, который вместе с количеством оборотов составляет единицу измерения устройства.

Оптические угловые датчики бывают фотоэлектрическими и магнитными.

В основе работающих датчиков лежит магнитный эффект Холла. Их точность и разрешение ниже, однако, и конструкция проще. Они лучше переносят сложные условия работы и занимают меньше места.

Фотоэлектрические датчики основаны на том же принципе. В них свет преобразуется в электрические сигналы.

Механические энкодеры

Также называются аналоговыми. Их диск изготавливают из диэлектрика и наносят на него выпуклые или непрозрачные области. Набор контактов и переключателей, позволяет вычислить значение абсолютного угла. Механические энкодеры также используют код Грея.

Один из недостатков этих энкодеров в том, что со временем контакты разбалтываются. В результате сигнал искажается, и прибор выдает неточные значения. А это сказывается на общей работоспособности. Оптические и магнитные энкодеры не имеют такого недостатка.

Абсолютный энкодер устройство

Энкодеры - датчики угла поворота

У этого типа ДУПа его поворотный круг поделён на определённые пронумерованные сектора, обычно идентичного размера. Во время работы он выдаёт конкретный секторный номер, в котором он непосредственно и находится. Именно поэтому данное устройство называют абсолютным. Благодаря его устройству можно легко определить угол/положение/направление энкодера относительно начального (нулевого) сектора.

Помимо этого абсолютный датчик угла не требует присоединения систем отсчёта к какому-нибудь нулевому значению. В нём используется специальный код Грея, позволяющий не допустить ошибки при работе. Из недостатков можно выделить только то, что микроконтроллер будет вынужден постоянно его переводить в двоичный код, чтобы выяснить положение ДУПа.

Использование

Подключение

Датчик использует два стандартных 3-пиновых разъема и подключается в контроллера «Трекдуино». Для подключения одного датчика требуется 2 свободных порта (по одному на каждый канал). Всего можно подключить и использовать до 4 энкодеров.

При подключении датчика следует выбрать, какой из проводов будет «каналом А», а какой — «каналом B». Соответствие каналов и проводов не фиксированное, пользователь сам должен выбрать в зависимости от ситуации, руководствуясь при это правилом: при чтении показаний датчика программа будет принимать за положительное направление вращение от «А» в сторону «В», например:

Энкодеры - датчики угла поворотаЭнкодеры - датчики угла поворота

Программирование

Блоки, необходимые для работы с энкодером, расположены в группе блоков «Датчики».

При использовании энкодеров первым делом необходимо выполнить установку всех подключенных энкодеров в секции с помощью блока в графическом режиме или функции в текстовом режиме.

Изменение переменных, в которых хранятся углы поворота энкодеров, происходит с помощью т.н. механизма прерываний, поэтому эти показания будут меняться даже если программа занята чем-либо, например, выполняет функцию задержки. Поэтому обращаться за показаниями энкодера можно сколь угодно редко, «срабатывания» оптических датчиков пропускаться не будут.

Точность энкодера (минимальный шаг)- 5 градусов.

Значения, возвращаемые блоком , всегда кратны 5 градусам (-20, -15, -10, -5, 0, 5, 10…)

Счетчик (переменная), в которой храниться угол поворота, переполняется при ± 2,147,483,645 градусах (около 6 миллионов оборотов). Впрочем, ресурс самого датчика гораздо меньше

Блок и генерируемая им функция Описание
void setupEnc(int encoder, int chA, int chB)
Выполняет установку энкодера, сообщает программе, к каким портам он подключен. Необходимо вызывать в секции «Установка» для каждого подключенного энкодера.Аргументы: — условный номер энкодера, по которому в дальнейшем к нему будет обращаться функция опроса. — порт IN, к которому подключен провод канала А — порт IN, к которому подключен провод канала B
long getEncDegrees(int encoder)
Возвращает угол поворота определенного энкодера в градусах.Аргументы: — условный номер энкодера, угол поворота которого необходимо сообщить
void setEncToZero(int encoder)
Обнуляет текущие показания по определенному энкодеру, «сбрасывает» счетчик.Аргументы: — условный номер энкодера, показания которого необходимо обнулить

Монтаж энкодеров

По монтажу сразу скажу главное – вал энкодера по отношению к валу механизма должен быть надежно зафиксирован!  Обычно это делается при помощи шестигранных винтов.

Монтироваться энкодер может и на валу двигателя, и на валу любого другого механизма – это не принципиально, и зависит лишь от конструкции и требований к точности выполнения поставленной задачи.

Вал энкодера никогда не будет соосным с вращающимся валом (вспомните, для чего нужен карданный вал). Поэтому используются специальные заводские переходные муфты, нужно надежно их крепить и периодически проверять качество монтажа.

Энкодер механически соединен с приводом через соединительную муфту для компенсации несоосности

Существуют энкодеры с полым валом, которые надеваются непосредственно на измеряемый вал и там фиксируются. Там даже нет такого понятия, как несоосность. Их гораздо проще монтировать, и они надежнее в эксплуатации. Чтобы энкодер при этом не прокручивался, используется лишь металлический поводок. На фото ниже показан энкодер с полым валом (обозначен В21.1), надетый на вал редуктора:

Энкодер с полым валом, надет на вал редуктора

Обратите внимание – корпус энкодера целиком и полностью держится на валу редуктора. От проворачивания его держит металлический поводок

При работе энкодер обычно немного покачивается по овальной траектории, это нормально, поскольку идеал существует только на картинках в даташитах и учебниках.

Бывают сквозные полые валы, когда ось механизма проходит через энкодер насквозь.

Оптикоэлектронные датчики углового положения (энкодеры)

Оптикоэлектронные датчики углового положения чаще называют энкодерами. Оптикоэлектронный энкодер представляет собой в простейшем случае стеклянный либо пластиковый диск с прозрачными окнами, помещенный между светодиодом и фототранизистором. Это один из самых распространенных датчиков положения в мире — в каждой компьютерной мыши колесико представляет собой именно энкодер.

Энкодеры - датчики угла поворота

В зависимости от расположения прорезей и количества фотодатчиков, оптические энкодеры могут быть инкрементальными либо абсолютными. Инкрементальный энкодер не может однозначно определить начальное положение вала, в отличии от абсолютного энкодера — комбинация прорезей, а следовательно комбинация включения фотодатчиков, однозначно определяет положение абсолютного энкодера в любой момент времени.

Энкодеры - датчики угла поворота

Слева (голубой) диск инкрементального энкодера, 2 фотодатчика и «сдвинутые» прорези позволяют опредеить направление вращения вала. Справа (зеленый) диск абсолютного энкодера. В приведенном примере это 3-х битный абсолютный энкодер, с прорезями на диске соответствующих коду Грея. Абсолютный энкодер позволяет определить точное угловое положение вала в любой момент.

Популярные статьи  Гелевый аккумулятор

Следящий способ выделения сигналов СКВТ

Analog Devices — единственная в мире компания, которая для реализации этого способа выпускает серию AD2S аналого-цифровых микросхем, например AD2S90, применив в них следящий принцип. Стоимость этих микросхем сегодня немалая, в диапазоне от $50 до 300, но других фирм-конкурентов на рынке нет!

В России есть компании (например, «Военмех», Санкт-Петербург), выпускающие с приемкой «5», под заказ, единичные изделия в виде одноплатных контроллеров в формате плат PC‑104 и Micro-PC со следящим принципом обработки, аналогичным применяемому в микросхемах AD2S90 фирмы Analog Devices. Стоимость этих плат еще выше и составляет от $200 до 700 при стоимости самого СКВТ от $500 до 1500.

Способ реализуется «хитро» и достаточно сложно. Не будем на нем останавливаться, так как он подробно описан в литературе и своему практическому применению, вероятно, обязан тем, что основные узлы следящей системы изготовлены в виде самодостаточного набора микросхем, приобретаемых у фирмы Analog Devices по монопольным ценам. На рис. 5 показан вариант построения такого преобразователя сигналов СКВТ по следящему способу .

Рис. 5. Вариант построения преобразователя сигналов СКВТ по следящему способу

Все описанные выше известные способы построения схем для управления и выделения данных СКВТ не вызывали у разработчиков большого энтузиазма их применения ни раньше, ни потом, когда на заводе «Фиолент» (СССР, г. Симферополь, 1980–2000 гг.) было освоено изготовление по гибридной технологии микросхем специальных серий «Поле» и «Колос». В них использовался следящий алгоритм работы, как позже и в упомянутых микросхемах AD2S90 (США).

Учитывая высокие цены на комплектующие детали и сложность схем, в этой статье автором предложены иные схемы подключения и способы выделения данных СКВТ, принципиально отличающиеся от известных способов.

Абсолютный оптический энкодер

Абсолютные энкодеры обычно используются в приложениях с медленным вращением в которых недопустима потенциальная потеря информации о положении. Элементы дискретного детектора в фотоэлектрической матрице индивидуально совмещены с концентрическими дорожками на светопрерывателе, создавая эффект бесконтактной реализации энкодера с щеточными контактами. Назначение отдельной дорожки для каждого бита результирующего разрешения приводит к дискам большего размера (по сравнению с конструкцией инкрементного энкодера) и соответствующему снижению допустимого отклонения при ударе и вибрации. При этом каждая дополнительная дорожка энкодера удваивает разрешение, но учетверяет стоимость датчика.

Энкодеры - датчики угла поворота

Принцип действия абсолютного оптического энкодера

Вместо последовательного потока битов, как в инкрементном датчике, абсолютные оптические энкодеры обеспечивают параллельный вывод слова данных с уникальным кодом шаблона для каждого дискретного положения вала. Чаще всего используется код Грея, двоичное и двоично-десятичное кодирование. Характерной особенностью кода Грея (по имени изобретателя Франка Грея из Bell Labs) является то, что только один бит изменяется за раз, помогая избежать тем самым асинхронных неоднозначностей, обусловленными электронными и механическими допусками элементов. С другой стороны, двоичный код постоянно включает множество измененных битов при увеличении или уменьшении счета на единицу. Например, при переходе из положения 255 в положение 0, восемь бит меняются с 1 в 0. Так как нет никакой гарантии, что все пороговые детекторы, являющиеся элементами слежения детектора сработают одновременно, в момент перехода будет присутствовать значительная неопределенность в данной схеме кодирования. Поэтому требуется дополнительный сигнал подтверждения правильности данных, если больше чем один бит изменился между последовательными положениями энкодера.

Энкодеры - датчики угла поворота

Поворот 8-битного диска с кодом Грея

На рисунке слева поворот против часовой стрелки на одну позицию становится причиной изменения только одного бита. На рисунке справа такой же поворот двоично-кодированного диска станет причиной изменения всех битов в частном случае (с 255 в 0) иллюстрируя тем самым опорную линию на 12 часов.

Абсолютные энкодеры лучше всего подходят для медленных и/или редких поворотов, таких как кодирование угла поворота рулевого колеса, в отличие от измерения высокоскоростного непрерывного (например, ведущее колесо) вращения, которое потребует вычисления смещения вдоль всего пути движения. Хотя и не столь надежны как резольверы для высокотемпературных или в приложениях с высокой ударной стойкостью, абсолютные энкодеры могут работать при температурах свыше 125 градусов и средним разрешением (1000 отсчетов на оборот). Потенциальным недостатком абсолютных энкодеров является их параллельный вывод данных, который требует более сложного интерфейса из-за большего количества проводов. 13-битный абсолютный энкодер, использующий  дополнительные выходные сигналы для помехоустойчивости потребует 28-жильный кабель (13 сигнальных пар плюс питание и заземление) вместо шести в случае с резольвером или инкрементным энкодером.

Производители энкодеров

Среди российских производителей энкодеров мне известен лишь только Питерский СКБ ИС, который производит энкодеры марки ЛИР. К сожалению, российского промышленного оборудования сейчас почти не производится, и ЛИРы применяются лишь в военном и лабораторном оборудовании.

По этой причине я имею дело только с энкодерами зарубежного производства. Производителей энкодеров много – их производят почти все производители полупроводниковых датчиков. Чаще всего я встречаюсь с энкодерами Autonics – как и в случае с датчиками, в России представлен большой ассортимент. Другие известные мне производители энкодеров – немецкий Sick, японский Omron, и несколько китайских брендов.

Использование тех или иных марок энкодеров обусловлено часто не техническими причинами, поскольку их параметры, схемы подключения и надежность практически идентичны. Тут скорее политические мотивы – производители комплектующих любыми путями стараются, чтобы их продукция вошла в состав больших и массовых производственных линий, чтобы таким образом закрепиться на рынке.

Способ преобразования вида модуляции сигналов СКВТ из ФКМ в АМ

Необычность предлагаемого способа заключается в предварительном преобразовании ФКМ-сигналов, формируемых СКВТ, в вид АМ (амплитудной модуляции) этих же сигналов.

Напомним, что в общем виде АМ-сигнал описывается известной формулой:

UAM = U(1+lsin(φ(t)))×sin(ωt), причем l < 1.       (3)

При l ≥ 1 возникает так называемый эффект «перемодуляции» сигнала. Раскрыв скобки, перепишем (3) так:

UAM = Usin(ωt)+(U×l)sin(φ(t))×sin(ωt), при l < 1.     (4)

Сравнивая формулы (4) и (1), можно заметить, что первое слагаемое в формуле (4) имеет вид гармонического сигнала возбуждения (рис. 2, первый график). Второе слагаемое в формуле (4) имеет почти такой же вид, но дополнительно каждый из ФКМ-сигналов в формуле (1) умножен на l < 1. Таким образом, «синусный» и «косинусный» АМ-сигналы могут быть получены алгебраическим сложением сигнала возбуждения СКВТ с соответствующим ФКМ-сигналом, аттенюированным с помощью резистивного делителя, то есть умножением на l < 1.

На рис. 6 приведены графики, показывающие реализацию этого способа.

Рис. 6. Преобразование вида модуляции выходных сигналов СКВТ из ФКМ в АМ:
1. Синий график — сигнал модуляции, подаваемый в первичную обмотку возбуждения.
2. Красный график — ФКМ-выходной синусный сигнал.
3. Красный график — АМ-сигнал на выходной синусной обмотке.
4. Красный график — выходной синусный сигнал СКВТ после детектирования.
5. Зеленый график — ФКМ-выходной косинусный сигнал.
6. Зеленый график — АМ-сигнал на выходной косинусной обмотке.
7. Зеленый график — выходной косинусный сигнал СКВТ после детектирования

Последующие методы обработки АМ-сигналов хорошо известны радиоинженерам, так как АМ-модуляция давно применяется почти во всех радиоприемниках. По этому способу были построены и проверены в работе несколько оригинальных электрических схем с использованием СКВТ типа ВТ‑2.5 и распространенных серий (например, 174) радиочастотных интегральных микросхем: АМ-детекторов, синхронных АМ-детекторов, УВЧ и УНЧ.

Оцените статью
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий