Распечатать

Автоматизация

Преимущества оптических энкодеров отражательного типа

06.08.2014

Источник: Avago Technologies

Многие промышленные системы используют данные о положении вала двигателя для его управления. К числу этих приложений относятся автоматически регулирующиеся системы, или сервосистемы, которые получают информацию с помощью обратной связи. Эта информация поступает с энкодера или схожего устройства, установленного на валу двигателя.

Компания Avago Technologies поставляет оптические энкодеры на промышленный рынок свыше 20 лет. Эти изделия предназначены для измерения положения, скорости, ускорения, для калибровки и определения направления движения. Структурная схема системы, отслеживающей перемещение с помощью обратной связи, представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема системы, отслеживающей положение вала двигателя с помощью обратной связи Microcontroller – микроконтроллер; PID – ПИД-регулятор (интерфейс); Decoder/Counter – декодер/счетчик; Motion Feedback – реакция на перемещение; Reflective Encoder – энкодер отражательного типа; Mini Motor – мини-электропривод; Load – нагрузка

К настоящему времени требования рынка к датчикам пропускающего типа (которые также называются прерывающими или проходными), которые компания Avago Technologies поставляет уже несколько последних десятилетий, изменились – необходимо, чтобы эти компоненты были компактными и недорогостоящими. Avago также поставляет на промышленный рынок энкодеры отражательного типа (см. рис. 1). Обе технологии имеют свои преимущества и недостатки (см. табл. 1).

В первую очередь, компактные отражательные энкодеры используются в товарах широкого потребления – в швейных машинах, игровом оборудовании и камерах видеонаблюдения. Кроме того, высокое разрешение и широкие возможности трехканального кодирования, которые обеспечивает отражательная технология, востребованы в таких приложениях медицинской техники как, например, дозаторы инсулина, портативные приборы, кресла-коляски с электронным управлением и оптометрическое оборудование.

Как уже упоминалось, с помощью энкодера определяется положение, скорость, ускорение направление движения, и выполняется калибровка. Все эти данные обеспечиваются благодаря применению трехканального метода. Данные о вращении пользователь получает с помощью одноканального метода (канал A), по каналу B – информацию о направлении. Третий канал (индексный канал I или Z), как правило, используется для установки нулевого положения, или калибровки. Компания Avago Technologies использует инновационный подход для реализации третьего канала, позволяющий уменьшить размер системы с помощью отражательной технологии. Для индексного канала в стандартных методах применяется дополнительная дорожка на кодовом диске. Avago использует инновационную схему в кристалле отражательного датчика AEDR-85xx и только одну дорожку для создания всех трех каналов. Принцип этого подхода иллюстрируется на рисунке 2.

Рис. 2. Способ формирования индексного канала, применяемый в технологиях Avago Index Window – индексное окно; Code Wheel – кодовый диск; Center of Code Wheel – центр кодового диска; Detector – детектор; Emitter (LED) – светодиодный источник света.

Компания Avago Technologies производит и отражательные, и пропускающие энкодеры, которые представляют собой модульные решения. Вместе с ними применяется дополнительный кодовый диск, положение которого выравнивается относительно энкодера. На основе этих обеих технологий Avago также поставляет на промышленный рынок готовые к использованию комплектные решения со степенью защиты IP40. Два семейства этих компонентов и их основные характеристики представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Два семейства комплектных решений от Avago Technologies Resolution: from 50 to 1024 CPR – разрешение: 50–1024 отсчетов за один оборот (CPR); Index Gating: Only 90° – индексное стробирование: только 90°; Resolution – разрешение; Index Gating – индексное стробирование; –20° to 85° for Mylar and –40° to 100° for Metal CW – –20…85°: для кодового диска из ПЭТФ и –40…100° – для металлического кодового диска; Extended resolution range – увеличенный диапазон разрешения; 90° and 180° options – варианты на 90 и 180°

Универсальное решение на основе отражательной технологии

AEDR-85xx – первый самый компактный трехканальный отражательный энкодер. Это устройство, выполненное в корпусе размерами 3,95×3,40 мм под поверхностный монтаж, оснащено светодиодом, фотоприемником, интерполятором, рассчитанным на большие значения CPR (counts per revolution – число отсчетов за оборот), и трехканальной (A, B и Index) функцией кодирования. Высота энкодера составляет всего 0,9562 мм. Цельная куполообразная конструкция этого энкодера обеспечивает его компактность. При таком малом размере разрешение энкодера составляет 294 LPI (Lines per inch – число линий на дюйм).

Индексное положение является абсолютным положением начала отсчета в инкрементной системе. В зависимости от требований конкретного приложения индексный канал стробируется по длительности импульса 90, 180 или 360°e (электрических градусов). Эти значения и расчетная частота ошибок при разных коэффициентах интерполяции представлены на рисунке 4.

 

Параметр

Символ

Типовоезначение

Единицаизмерения

Коэффициент интерполяции

 

14×

 

 

электрические градусы

Ошибка в цикле

ΔС

18

22

36

Ошибка в ширине импульса

ΔP

15

20

30

Фазовая ошибка

Δφ

9

15

18

Ошибка состояния

ΔS

10

15

25

 

Рис. 4. Вид выходного индексного сигнала в зависимости от ширины импульса стробирования и расчетная частота ошибок для разных коэффициентов интерполяции

Output waveform – выходной сигнал; Amplitude – амплитуда; e Deg – электрические градусы; Index of 90e; 180; 360 Deg options – индекс, стробируемый по длительности импульса 90; 180; 360 электрических градусов; Codewheel rotation movement (Anti-clockwise) – направление движения кодового диска (против часовой стрелки); Quadrature signals A, B and I – квадратурные сигналы A, B и I

У технологии отражательного типа имеется несколько основных преимуществ. Два из них считаются наиболее важными: универсальность решения и возможность уменьшить стоимость и размер системы.

1. Универсальность решения. Благодаря инновационному методу формирования индексного канала использование кодового диска упрощается по сравнению со стандартными методами. Следовательно, появляется возможность без лишних усилий задействовать кодовый диск с несколькими дорожками и одним датчиком (см. рис. 5). Кроме того, энкодер AEDR-85xx позволяет воспользоваться еще двумя вариантами интерполяции (2× и 4×) в дополнение к уже имеющемуся разрешению. Это значит, что один датчик обеспечивает 12 разных опций разрешения и многодорожечный кодовый диск в пару.

Рис. 5. Пример использования кодового диска с несколькими дорожками

2. Уменьшение стоимости и размера системы достигается за счет модульного принципа. В первую очередь, этим преимуществом обладает решение отражательного типа, пример которого приведен на рисунке 6. Очевидно, что оно позволят сэкономить средства, исключив необходимость в дополнительных подшипниках и кабельных соединениях, а также уменьшить размер и стоимость конечного изделия.

Рис. 6. Модуль, построенный по технологии отражательного типа, позволяет значительно уменьшить стоимость и размер системы Bearings – подшипники; Motor – двигатель; Enc. – энкодер; Break – прерыватель; Fan – вентилятор; Main Body – основной блок

Простой расчет кодового диска

После выбора энкодера подходящего типа выполняется расчет параметров кодового диска. С этой целью используется уравнение 1, которое позволяет рассчитать LPI (line per inch – число линий на дюйм или мм), разрешение CPR (Count per Revolution – число отсчетов на оборот) или Rop – оптический радиус диска. Разрешение вращающейся плоскости диска рассчитывается в единицах длины:

 

где 55 кГц – максимальная частота считывания показаний датчика AEDR-85xx с интерполяционным множителем 1×. Однако при том же радиусе Rop разрешение датчика AEDR-85xx можно увеличивать, выбрав другие коэффициенты интерполяции с помощью двух TTL-совместимых логических сигналов SEL 4× и SEL 2×, как показано в таблице 2. Данные этой таблицы справедливы и для максимальной частоты вращения 3985 об/мин.

Таблица 2. Коэффициенты интерполяции для датчика AEDR-85xx

Уровень сигнала на выводах управления коэффициентом интерполяции

Коэффициентинтерполяции

Разрешение (CPR) для Rop = 11 мм

Частота считывания показаний

SEL 4×

SEL 2×

Низкий

Низкий

828

55 кГц

Низкий

Высокий

1656

110 кГц

Высокий

Низкий

3312

220 кГц

Высокий

Высокий

Только для производственных целей

Недорогое решение для определения абсолютного положения

Еще один способ получить информацию о положении вала двигателя заключается в использовании абсолютного энкодера. При этом информация никогда не теряется, но размер датчика, как и его цена, увеличивается по сравнению с инкрементными решениями. Благодаря инновационному методу создания индексного канала с помощью датчика AEDR-85xx, а также возможности реализовать многоиндексный канал за один цикл эта отражательная технология также предназначена для построения псеводоабсолютной системы с обратной связью. Такое решение намного дешевле и годится для приложений с ограничениями на занимаемое пространство. Метод создания индексного канала с помощью датчика AEDR-85xx иллюстрируется на рисунке 7. Очень хорошо видно, что индексное окно в данном случае в три раза шире, чем окна каналов. Это более широкое окно можно расположить на кодовом диске после каждых семи окон. В результате датчик AEDR-85xx будет генерировать индекс через каждые семь импульсов в каналах А и B.

Рис. 7. Принцип создания многоиндексного канала с помощью датчика AEDR-85xx Index track – индексная дорожка; pitch needed – требуемый шаг; Opaque – непрозрачные участки; Reflective – отражающий участок; Code Wheel – кодовый диск; Channels – каналы; minimum – минимальное значение

Таким образом, можно использовать кодовый диск с несколькими индексами с разными интервалами между ними. Для создания псевдоабсолютного энкодера требуется больше индексных меток с уникальным расстоянием. Чтобы получить корректную информацию о положении, счетчик запускают с помощью первого индекса. Все приращения суммируются до тех пор, пока последующий индекс не прекратит отсчет.

При использовании, например, девяти индексов с уникальным расстоянием между ними применяется следующая справочная таблица (см. табл. 3).

Таблица 3. Символьное кодирование в случае девяти индексов

В этом случае электрический сигнал в виде последовательности индексных импульсов за один цикл выглядит так, как показано на рисунке 8.

Рис. 9. Принцип работы псевдоабсолютной системы Incremental mode – инкрементальный режим; Absolute mode – режим измерения абсолютного положения. В дальнейшем маркер индекса используется для проверки содержимого регистра данных об абсолютном положении.

Выводы

Новый оптический энкодер, например трехканальный датчик AEDR-850x от компании Avago, является беспрецедентно миниатюрным решением. Системы управления на его основе получают такое преимущество как использование одной дорожки кодового диска для всех трех каналов А, B и Index, что значительно уменьшает размеры системы.

Кроме того, коэффициенты интерполяции 1×, 2× и 4× позволяют увеличить разрешение энкодера, исключив необходимость в другом кодовом диске большего размера. Повторное использование этого решения в разных конечных изделиях практически или вовсе не требует дополнительных усилий по проектированию.

Такие приложения как медицинские приборы, цифровые фотокамеры, электроприводы и мобильные телефоны получили возможность воспользоваться преимуществами миниатюрных трехканальных оптических энкодеров со светодиодами и малым энергопотреблением.

Однако наиболее значительными достоинствами этой технологии является ее универсальность и меньшая стоимость реализации системы.

Фото и материалы предоставлены Avago Technologies

Автоматизация 19.09.2017 Компания Autonics представила инкрементальные и абсолютные датчики углового перемещения с диаметром корпуса 58 мм серий E58 и EP58. Их отличает надежность, точность и разрешение до 8000 имп/об (серия E58).
Автоматизация 01.09.2017 Интеллектуальная конвейерная система SuperTrak от австрийской компании B&R разработана на основе 14-летнего опыта работы в промышленности. Технические решения, реализованные в системе, гарантируют высокую отказоустойчивость оборудования и надежную эксплуатацию в режиме 24/7.
Мнение 19.09.2017 «День инноваций Schneider Electric» в Петербурге открыл череду мероприятий, объединяющих на одной площадке семинары и выставки передовых решений компании в области интернета вещей IoT, которые пройдут осенью в Москве, городах Урала, Сибири и Дальнего Востока.
Автоматизация 18.09.2017 Компании разработали специальный портфель решений для полной интеграции роботов-манипуляторов Comau в систему SINUMERIK. Это позволит использовать СЧПУ SINUMERIK в качестве автономного контроллера для роботов без необходимости применения внешних или встроенных контроллеров.
Автоматизация 15.09.2017 Альянс известных немецких машиностроительных и IT компаний - DMG MORI, Dürr, Software AG, ZEISS и ASM PT поставил своей целью сделать ADAMOS (Открытые адаптивные решения для производства) мировым отраслевым стандартом и привлечь в качестве партнеров других станостроителей.
Автоматизация 15.09.2017 Компактный и износостойкий миниатюрный энкодер Ri360-QR20 фирмы Turck специально разработан для использования в подвижных машинах. Он обладает защитой IP68/IP69K и основан на бесконтактном измерительном принципе.
Электропривод 14.09.2017 Немецкий бизнес в России почти единогласно выступил против нового закона США о санкциях – таковы результаты опроса Российско-Германской внешнеторговой палаты (ВТП), в котором приняли участие 193 немецкие компании, работающие в России.
Автоматизация 14.09.2017 Компания Autonics выпустила логическую панель LP-S070, сочетающую графическую сенсорную панель со встроенным ПЛК. Она имеет 7-дюймовый высококонтрастный полноцветный (16,7 миллиона цветов) ЖК-дисплей с TFT-матрицей, который предназначен для широкого диапазона применения.