Энкодер. Энкодерная лента

Функциональные возможности, конструктивные особенности, применяемые материалы и технологии изготовления абсолютных оптических и магнитных энкодеров вращения производства. Энкодер вращения — оптический или магнитный? Перевод публикации интервью в журнале «Конструктор» с соучредителем группы компаний Fraba на тему магнитной технологии.

На что обращать внимание при выборе энкодера?

Надежность энкодера — это очень важно!

От надежности работы энкодера зависит надежность и качество работы как вашего комплексного оборудования, так и производства в целом. Так, потери от непредвиденных остановок производственной линии могут оказаться несоизмеримо высокими по отношению к сэкономленным на приобретении энкодеров средствам. Сюда входят потери рабочего времени персонала, повреждение производственного материала и оборудования, затраты на диагностику/поиск неисправности, ремонт/замену вышедшего из строя энкодера и последующую юстировку и испытание/запуск оборудования.

При подборе энкодера также важно обращать внимание на его технические характеристики. Некоторые производители заявляют о высоком разрешении, однако очень часто подразумевается не физическое, а интерполированное разрешение. Разумеется, точности и допустимой нелинейности от таких энкодеров ожидать не приходится и, в ряде случаев, значения этих характеристик недостаточны для работы энкодера в составе прецизионного оборудования. При подборе энкодера очень важно сделать выбор в пользу проверенного качества.
Учитывая вышеперечисленное, мы настоятельно рекомендуем серьезно подходить к подбору энкодера. Бесперебойная работа оборудования в течение длительного времени и имидж Вашей компании только в Ваших руках!

Представленные в нашей программе поставок абсолютные оптические и магнитные энкодеры вращения разрабатываются и производятся компанией Posital Fraba, которая является мировым лидером в производстве сенсоров позиционирования и первооткрывателем метода абсолютного позиционирования угла поворота. Продукция немецкого производителя Posital Fraba отличается высшим качеством, гарантией которого явился многолетний (более 80-лет!) опыт производства абсолютных энкодеров. Для задач позиционирования − от автоматизации на производстве до мобильной техники − необходима точная и актуальная информация о положении того или иного механического узла.
Абсолютные энкодеры регистрируют малейшие перемещения и преобразуют их в цифровой сигнал. Способность абсолютных энкодеров точно и быстро регистрировать угловое и линейное перемещение делает их важнейшим связующим звеном между механикой и системой управления. В ассортименте Posital широкий спектр механических исполнений энкодеров со всеми распространенными видами интерфейсов.

Материалы, технологии и опыт производителя

Высокие требования к применяемым материалам с учетом разных коэффициентов температурного расширения, применение подшипников проверенных поставщиков, специальные технологии выборки люфтов — это все влияет на такие важные параметры энкодера, как плавность и легкость вращения вала, долговечность и стабильность механических параметров. Еще в 1970 году ФРАБА разрабатывает первый в мире опто-электронный датчик углового положения и начинает его производство. Большой опыт работы и современные технологии производства делают продукцию этой компании непревзойденной по таким важным параметрам как: высокая надежность, низкие цены и кратчайшие сроки поставок. С годами у производителя, особенно у производителя концентрирующегося на производстве узкой линейки продукции, в данном случае производстве абсолютных энкодеров, за плечами оказываются колоссальный опыт, свои наработки и секреты.
Ниже представлены технологии лежащие в основе абсолютных энкодеров производства Posital Fraba, их отличия и особенности.

Оптические энкодеры

Современный абсолютный оптический энкодер является чрезвычайно сложным устройством. При разработке оптического энкодера с высоким разрешением разработчики сталкиваются с большим количеством противоречащих друг-другу факторов, сильно влияющих на точность и надежность работы энкодера в течение длительного времени.

Принцип оптического измерения

Ключевым компонентом оптических энкодеров является установленный на валу кодовый диск. Этот диск изготовлен из прозрачного материала, имеющего концентрический рисунок из прозрачных и непрозрачных участков. Инфракрасный свет от светодиода попадает через кодовый диск на ряд фоторецепторов. По мере поворота вала уникальная комбинация фоторецепторов освещается светом, прошедшим сквозь рисунок на диске. Для многооборотных моделей существует дополнительный набор кодовых дисков, установленных в зубчатом механизме. По мере поворота главного вала датчика эти диски, находящиеся в зацеплении друг с другом, вращаются наподобие механизма счетчика километража. Положение вращения каждого диска контролируется оптически, а выход представляет собой информацию о количестве оборотов вала энкодера.

Функциональные возможности

Оптические абсолютные энкодеры IXARC POSITAL используют высокоинтегрированную технологию Opto-ASIC, обеспечивающую разрешение до 16 бит (65536 шагов) за оборот. Для многооборотных моделей диапазон измерения увеличивается за счет механически зацепляемых кодовых дисков до 16384 (214) оборотов.

Преимущества оптических энкодеров

Оптические энкодеры обеспечивают очень высокое разрешение и точность, а также превосходные динамические характеристики, и подходят для использования в зонах с интенсивными магнитными полями. Поскольку вращение кодовых дисков представляет собой полностью механический процесс, эти устройства не могут потерять информацию об абсолютном положении в случае временного отключения питания прибора. Резервные батареи не требуются!

Конструкция энкодера

Основной проблематикой является наличие в одной конструкции большого количества механических, оптических и электронных взаимодействующих, но совершенно разных по природе компонентов. Так, механика имеет склонность к механическому износу. А на качество оптических элементов влияют в первую очередь такие факторы, как загрязнение, тускнение, изменение интенсивности излучения. Высокое разрешение энкодера требует использования оптического диска с высокой плотностью нанесенного на него трафарета. Для оптического/физического разрешения (а не интерполированного!) в 12 бит требуется диск с секторами делящими окружность на 4096 частей/меток. Чем компактнее энкодер и меньше диаметр диска, тем выше требования к оптике энкодера. Для распознавания такой плотности рисунка на диске необходимо располагать считывающую матрицу в непосредственной близости к диску. Минимальный зазор между вращающимся диском и считывающей матрицей предъявляет очень высокие требования к механике. Минимальное биение/люфт вала приведет к соприкасанию при вращении диска с считывающей матрицей и, как следствие, к повреждению нанесенного на диск трафарета. Износ механических частей энкодера или негерметичность корпуса ведет также к загрязнению оптики продуктами износа и попадающей снаружи пыли и, как следствие, искажению результатов измерения. Оптический диск является важным узлом энкодера. Под воздействием времени, перепадов температуры и мн. др. факторов свойства материала диска могут со временем меняться, например тускнеть и деформироваться. Первый фактор, в сочетании с теряющим интенсивность светодиодной подсветки, резко может снизить надежность работы и/или вызвать полный отказ в работе. Второй фактор может вызвать опасность соприкасания диска с матрицей при вращении вала энкодера с теми же вытекающими последствиями.

Магнитные энкодеры

Принцип магнитных измерений

Магнитные энкодеры определяют угловое положение с использованием магнитно-полевой технологии. Постоянный магнит,установленный на валу энкодера, создает магнитное поле, которое измеряется датчиком, формирующим уникальное значение абсолютного положения.

Инновационная многооборотная технология

Многооборотные магнитные энкодеры IXARC POSITAL используют инновационную технологию для отслеживания количества оборотов, даже если оборот произошел при отключенном питании системы. Для выполнения этой задачи энкодеры преобразуют вращение вала в электрическую энергию. Технология основана на эффекте Виганда: когда постоянный магнит на валу энкодера поворачивается на определенный угол, магнитная полярность в „проводе Виганда“ резко меняется, создавая кратковременный всплеск напряжения в обмотке, окружающей провод. Этот импульс отмечает поворот вала, а также обеспечивает питание электронной цепи, регистрирующей данное событие. Эффект Виганда происходит в любых условиях, даже при очень медленном вращении, и исключает потребность в резервных батареях.

Преимущества магнитных энкодеров

Магнитные энкодеры являются надежными, долговечными и компактными. Конструкция, не требующая использования батарей и не имеющая зубчатых передач, обеспечивает механическую простоту и более низкую стоимость по сравнению с оптическими энкодерами. Их компактные габариты позволяют использовать их в очень ограниченном пространстве.

Энкодер вращения — оптический или магнитный?

Этот вопрос однажды задали соучредителю группы компаний «Fraba» (он же директор компании Posital) в интервью журнала «Конструктор» при обсуждении темы внедрения новой магнитной технологии при производстве энкодеров вращения.
Ниже перевод публикации этого интервью.

Что говорят специалисты в отношении новой магнитной технологии?

Перевод публикации интервью с соучредителем группы компаний «Fraba» по теме внедрения новой магнитной технологии при производстве энкодеров вращения

Энкодеры вращения преобразуют угол поворота вала в электрический сигнал и работают на оптическом или магнитном принципе действия. Оптические энкодеры измеряют точнее, а магнитные по конструкции более стабильные и прочные — таково распространенное мнение. Соответствует ли это действительности на самом деле? Редакция журнала „Конструктор“ взяла интервью у соучредителя группы компаний «Fraba» и компании-производителя «Posital» с 50-и летним стажем разработки и производства абсолютных энкодеров из г. Кёльна.

Господин Лезер, являются ли на самом деле оптические энкодеры точнее магнитных?

Однозначно нет. В настоящее время оптические энкодеры больше не опережают магнитные по точности. Технология магнитных энкодеров в последние годы позволила полностью перекрыть разрыв с оптической в отношении всех важных электрических параметров. Выпускаемые сегодня магнитные энкодеры уже достигают разрешения 16 бит при точности 0,09° и, таким образом, такие параметры, которые раньше были достижимы только оптическими энкодерами. Касательно оптических энкодеров мы говорим с позиции производителя абсолютных оптических энкодеров с 50 летним опытом работы. Оптические энкодеры мы производим начиная с 1963 года и это всегда являлось нашей основной специализацией. В 2013 году произошел настоящий переворот в соотношении технологий, когда был представлен магнитный энкодер достигающий по всем ключевым параметрам традиционные оптические системы.

Что позволило так значительно повысить возможности магнитных энкодеров?

Залогом успеха явился технологически качественный скачок, в котором важную роль сыграла удачная комбинация аппаратной и программной части магнитной системы.
Магнитные энкодеры нового поколения базируются на датчиках Холла, аналоговые сигналы которых обрабатываются быстрым 32-битным микроконтроллером в режиме реального времени. Сложные программные алгоритмы, разработанные специально для новых хай-тек чипов нашими IT-специалистами, обеспечивают прецизионную калибровку и гарантируют высочайшую точность новой серии магнитных энкодеров.

А в технологии оптических энкодеров имеется также прогресс в дальнейшем развитии, например, в отношении чувствительности к влажности, загрязнению, к ударным нагрузкам и вибрациям?

Также и здесь есть дальнейшее развитие, однако без значительных скачков достигаемых результатов. Принципиально эта технология применяется в таком виде, как она существовала 50 лет назад. Сегодняшние оптические энкодеры меньше в размерах, имеют большее разрешение и частично механически прочнее и стабильнее прошлого поколения энкодеров. Однако в основе лежащая проблематика в отношении чувствительности к влажности, загрязнению и механическим воздействиям остаются и сегодня. Оптические системы по своей природе чувствительны ко всему, что может препятствовать надежной передаче сигнала от источника света на пути к чувствительным фото-рецепторам. В этом отношении магнитные энкодеры всегда были впереди. Будь то пыль, туман или сильная тряска — ничто не в состоянии так быстро нарушить работоспособность магнитного энкодера.

И все таки, имеются ли случаи применения, где оптические энкодеры предпочтительнее магнитных, например, в отношении устойчивости к магнитным полям?

Помехоустойчивость магнитных энкодеров у нас под надежным контролем благодаря специальным механизмам экранирования от магнитных полей. Даже в непосредственной близости от таких сильных источников помех, как электронного тормоза электродвигателя, наши магнитные энкодеры работают без проблем. Таким образом также и в вопросе магнитной устойчивости оптические энкодеры уже не имеют никаких преимуществ. Мы рассматриваем оптические энкодеры лишь в качестве дорогого решения для задач, где необходимо экстремально высокое разрешение, скажем, в 20 бит в обороте. В большинстве же случаев точность магнитных энкодеров предостаточна.

Какая технология энкодеров дает больше свободы машиностроителям в проектировании?

Магнитные энкодеры предлагают ощутимо больше возможностей и свободы в проектировании. Они значительно компактнее и легче оптических, которые в многооборотных моделях значительно массивнее магнитных за счет наличия в конструкции достаточно габаритного редуктора состоящего из нескольких оптических дисков. Магнитные энкодеры благодаря своей компактности позволяют их встраивать в очень ограниченные пространства машины или другого оборудования. Ну и очередной не малозначимый положительный фактор — более бюджетная цена. Одним словом совсем не удивительно, что магнитные энкодеры являются сейчас основным трендом и это признает большинство наших конкурентов.

Сопутствующие товары и статьи

Рано или поздно в жизни каждого самоделкина возникает потребность в покупке чего-то такого этакого, что обычно само в голову не придет. Вот и я жил себе спокойно и об энкодерах даже не задумывался.

Хотя должен признаться опыт работы с энкодерами имел. Как-то в одной и поделок использовал энкодер из принтера.

В данной истории все приключилось внезапно. Ползая по своим хоббийным форумам натолкнулся на конкурс. Сайт (называть не буду, т.к. разговор не о нем) проводил видимо раскрутку посещаемости и плюс один из форумчан проводил раскрутку своих российского производства изделий. И разыгрывался комплект из 3 наборов для самостоятельной сборки сервоконтроллеров. Я зарегистрировался на этом форуме, подал заявку (вместе с 3 или 4-мя всего лишь участниками) и… выиграл.

Так я стал обладателем 3-х наборов для сборки сервоконтроллеров. Далее мне потребовались энкодеры. Позволю себе объяснить для читателей не так глубоко погруженных в электронные компоненты, что такое сервоконтроллер, энкодер и с чем все это едят.

Есть 2 основных способа управлять точным перемещением в изделиях с ЧПУ (числовое программное управление). Попробую объяснить максимально доступным языком, без сложных схем и терминов.
Первый способ это шаговые двигатели. Шаговый двигатель имеет сложное устройство - несколько катушек, притягивающих сердечник в заданных положениях.

Количество положений, в которых может быть зафиксирован сердечник называется шагами, промежуточные положения (регулируются различными промежуточными напряжениями и соответственно магнитными полями) называют микрошагами. Управляет шаговым двигателем драйвер - это плата управления, как правило с микропереключателями шагов и регулировкой тока, протекающего через двигатель. На вход драйвера подаются сигналы: Enable (разрешить работу шагового двигателя), DIR (направление вращения), STEP (количество шагов, на которое двигателю необходимо повернуть вал). И драйвер переводит команды в обороты вала двигателя. Очень простая и надежная конструкция. Из минусов - скорость вращения двигателя ограничена из-за его конструктива, и если двигатель пропустит по той или иной причине шаги, то управляющая программа об этом не узнает. Отсюда и область применения - низко и среднескоростные двигатели в заданной области нагрузок. Например 3Д принтер или хоббийные станки.

Второй способ управлять перемещениями - сервомотор. Мотор сам по себе может быть любым, постоянного или переменного тока, без разницы. Единственное условие, его вал должен иметь энкодер. Энкодер - это устройство определения позиции вала в данный момент времени. Об энкодерах мы поговорим подробнее чуть позже. Сервоконтроллер имеет другой принцип работы, в отличии от драйвера шагового двигателя. Сервоконтроллер получает на входе те же самые сигналы Enable, STEP, DIR и подает на двигатель напряжение. Двигатель начинает вращаться в нужном направлении, энкодер возвращает данные о положении вала двигателя. Как нужное положение достигается, вал двигателя в нем фиксируется. Конечно это сильно упрощено, т.к. есть ускорение и торможение двигателя, управление током и напряжением, пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор в контуре обратной связи,… но мы же договорились в этот раз не сильно лезть в теорию.

Какие же плюсы серводвигателей: любая скорость вращения, отсутствие пропуска шагов, бесшумность (шаговый двигатель ощутимо громок в работе из-за своего конструктива). Но цена сервоконтроллеров выше и существенно драйверов шаговых двигателей. Поэтому основная ниша сервоконтроллеров - профессиональное применение.

Для своего проекта я выбрал двигатели Динамо Сливен. Эти двигатели широко использовались в советское время в ЭВМ и их было какое-то нереально большое количество. Кажется, что практически любой хоббийщик или имеет такой двигатель или сталкивался с ним. На барахолках их до сих пор перепродают. Это двигатели постоянного тока с фантастическим неубиваемым ресурсом и устойчивостью к любым издевательствам.

В качестве сервоконтроллера я использовал выигранную плату. Она представляет собой развитие open source сервоконтроллера, известного под устойчивым брендом «сервоконтроллер Чена» - по имени китайца, году так в 2004-м, если не ошибаюсь, предложившим данную схему.

Теперь уже практически переходим сути обзора - к энкодерам. Выбор энкодера был осуществлен по характеристикам и цене. Какие бывают типы энкодеров. В основном это оптические и магнитные. Магнитные - когда на краях диска закреплены магниты, а возле них находится датчик Холла.

Решение дорогое, промышленное, обладает повышенной надежностью. Цена не хоббийная ни разу.

Оптические энкодеры. Самое распространенное решение. Есть в каждой мышке. Раньше отвечали за вращение шарика и колесика. Теперь шариков уже нет, а вот колесики остались. Принцип работы прост - прерывание светового пучка проходящим непрозрачным телом.

Оптические энкодеры есть 2-х типов: инкрементальные и абсолютные. Инкрементальные делятся на 2 подтипа. Простейшие инкрементальные - такие как изображены на рисунке выше. Они определяют пересечение светового потока и на их основе можно построить, например, тахометр. Недостаток данного энкодера состоит в том, что при помощи него невозможно определить направление вращения диска. Инкрементальные 2-х канальные решают задачу определения направления вращения диска.

Для этого используется не один фотодиод, а несколько, обычно 4. Они формируют 2 независимых канала передачи данных, и сравнивая сигналы с этих каналов можно однозначно сделать вывод о направлении вращения диска.

Какие же недостатки есть у данного инкрементального энкодера? Недостаток один, но для ряда применений он критичный. При инициализации энкодера мы не знаем в каком положении находится диск. Т.е. мы можем узнать только направление и скорость вращения диска.

Для получения полной информации, а именно - начальное положение диска, направление и скорость вращения используются абсолютные энкодеры.

Абсолютные энкодеры используют диск со сложной системой кодировки положения. Наиболее распространен код Грея - двоичная кодировка с защитой от ошибок.

Я остановил свой выбор на инкрементальном энкодере с контролем направления вращения, т.е. с двумя квадратурными каналами вывода информации. Разрешения в 100 линий на оборот диска мне было за глаза. Поэтому на Алиэкспрессе я нашел энкодеры за разумную цену и с нужными мне характеристиками.

Вот фотка 3-х пришедших мне энкодеров. Дошли они недели за 3.

У энкодеров 4 вывода, Красный - питание 5В, Черный - земля, Цветные - каналы А и В.
Я быстренько выточил втулочку на вал двигателя под крепление диска, ввинтил туда стержень с резьбой.

На 3Д принтере распечатал площадку под крепление датчика энкодера

Собрал все вместе

Подключил сервоконтроллер, и… тут бы был счастливый конец обзору, но нет. Ничего не заработало. Даже близко ничего не заработало.

Подключил осциллограф и понял, что никаких квадратурных сигналов на выходе нет, только шумы, наводки и непонятные выплески. Грешил я на все на свете. И на требовательность к позиционированию, и на засветку, и на наводки электромагнитные. И часами аккуратно возюкал датчик в разных положениях, выключал свет и пытался проделать все тоже самое в темное. «Крокодил не ловится, не растет кокос.» Разумеется я перепробовал все 3 энкодера. Везде тоже самое. И тут меня дернуло поразглядывать датчик в микроскоп.

То что я увидел повергло меня в изумление. Все 4 сенсора стояли в ряд по радиусу диска, т.е. засвечивались через прорезь диска одновременно. Разумеется ничего не работало. Датчики должны стоять перпендикулярно радиусу диска, и засвечиваться последовательно разными фронтами прорези диска. Я не мог поверить, что это так просто и так глупо. Китайцы поставили датчик с поворотом на 90 градусов. Я спросил на форуме у такого же как я покупателя таких же энкодеров как у него стоит датчик. И у него все было также неправильно и не работало.

Почесав в затылке я решил попробовать это дело исправить. Энкодер разобрался легко, при помощи фена расплавил термоклей и достал внутренности.

Поднес датчик к диску так чтобы сенсоры был поперек рисок. Конечно датчик корректно не встал, но на осциллографе начал появляться какой-то осмысленный сигнал.

На фото видно, что сенсоры стали перпендикулярно радиусу диска.

Собрал, подключил к сервоконтроллеру и… Бинго, все заработало! Мотор встал в режим удержания позиции. Т.е. при попытке проворота вала двигателя, мотор упирается и если его все же провернуть, то возвращается в исходное положение.

Как резюме. Энкодер из коробки не работает. К покупке не рекомендую. Но в своей ценовой категории, если он был бы исправным, это хорошее бюджетное решение. Либо если переделка изделия в работающее не пугает, то можно брать и переделывать.

У продавца куча положительных отзывов на такой энкодер. Либо это все липа, либо, что вероятнее, брак пошел массово совсем недавно.

Я написал продавцу, он пока шлет мне тонну технических описаний и предлагает попробовать еще, и намекает, что это я не разобрался. Буду на него давить. Пусть хоть часть денег вернет. Я столько времени угрохал из-за их заводского разгильдяйства.

Всем добра и удовольствия от хобби!