Датчик угла поворота

Датчик угла поворота, также называемый энкодер — устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота.^[1]

Датчики угла поворота широко применяются в промышленности, в частности в сервоприводах.

Энкодеры подразделяются на инкрементальные и абсолютные, которые могут достигать очень высокого разрешения. Энкодеры могут быть оптические, резисторные и магнитные и могут работать через шинные интерфейсы или промышленную сеть.

Преобразователи угол-код практически полностью вытеснили широко применявшиеся ранее сельсины и дифференциальные трансформаторы угла поворота.

Инкрементальные энкодеры

Инкрементальный энкодер

Выход «синус косинус» инкрементального энкодера

Инкрементальные датчики линейных перемещений, называемые также квадратурными энкодерами, формируют импульсы, по которым принимающее устройство определяет текущее положение координаты путем подсчета числа импульсов счётчиком. Для привязки системы отсчета к началу отсчёта инкрементальные датчики имеют референтные метки, через которые нужно пройти после включения оборудования.

Инкрементальные датчики вращения и датчики угла при вращении формируют импульсы, по которым принимающее устройство определяет текущее положение координаты путем подсчета числа импульсов счётчиком. Для привязки системы отсчета инкрементальные датчики имеют референтную метку («маркер»), одну на оборот, через которую нужно пройти после включения оборудования.

Для определения расстояния и направления перемещения применяются два канала («синус» и «косинус», обозначаемые в документации обычно как A и B), в которых идентичные последовательности импульсов (меандр) сдвинуты на 90° относительно друг друга, что позволяет определять направление перемещения у линейных, и вращения у угловых датчиков. Кроме каналов «синус» и «косинус» в современных энкодерах используется также сигнал «метка на оборот» («маркер», референтная метка, обозначаемая как Z, C^[2] или R ), который в сочетании с менее точным концевиком позволяет определить точное положение «нуля» координаты привода.

Многие специализированные микропроцессоры поддерживают эти три сигнала с помощью соответствующего Quadrature Encoder Interface.^[3]

Абсолютные энкодеры

Абсолютный многооборотный (4096 оборотов) энкодер (8192 положения на оборот)

Абсолютные датчики линейных перемещений показывают текущую координату сразу при включении, без необходимости прохождения референтных меток.

Абсолютные датчики вращения и датчики угла определяют текущую координату без необходимости перемещения осей станка. Однооборотные датчики определяют текущую координату только в пределах одного полного оборота вала, а многооборотные датчики могут дополнительно распознавать несколько полных оборотов. Обычно абсолютные датчики вращения и датчики угла передают измеренную координату по последовательным интерфейсам — EnDat, SSI, PROFIBUS-DP или другим. Двунаправленные интерфейсы EnDat и PROFIBUS-DP позволяют также осуществлять контроль и диагностику датчиков.

Наиболее распространённые типы выходов сигнала — это код Грея, параллельный код, интерфейсы Profibus-DP, CANopen, DeviceNet, SSI, LWL, через которые также осуществляется программирование датчиков.

Оптические энкодеры

Оптические энкодеры имеют жёстко закреплённый на валу стеклянный диск с оптическим растром. При вращении вала растр перемещается относительно неподвижного растра, при этом модулируется световой поток, принимаемый фотодатчиком. Абсолютные оптические энкодеры — это датчики угла поворота, в которых каждому положению вала соответствует уникальный цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические энкодеры, так же как и инкрементальные энкодеры, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска.

Магнитные энкодеры

Магнитные энкодеры регистрируют прохождение магнитных полюсов вращающегося магнитного элемента непосредственно вблизи чувствительного элемента, преобразуя эти данные в соответствующий цифровой код.

Магнитный энкодер

Механические и оптические энкодеры с последовательным выходом

Содержат диск из диэлектрика или стекла с нанесёнными выпуклыми, проводящими или непрозрачными участками. Считывание абсолютного угла поворота диска производится линейкой переключателей или контактов в случае механической схемы и линейкой оптронов в случае оптической. Выходные сигналы представляют собой код Грея, позволяющий избавиться от неоднозначности интерпретации сигнала.

Крепление

Представленные датчики соединяются с вращающимся объектом посредством нормального или полого вала, последний может быть как сквозным, так и несквозным (тупиковым). Вал вращающегося объекта и вал энкодера соединяют механически при помощи гибкой (например, сильфон) или жёсткой соединительной муфты. В качестве альтернативы энкодер монтируют непосредственно на вал объекта, если энкодер имеет полый вал. В первом случае вероятная несоосность и допустимые биения компенсируются деформацией гибкой втулки. Во втором возможна фиксация энкодера посредством штифта.

Примечания

1. ↑ Строго говоря, «Датчик угла поворота» — более общий термин, чем энкодер, датчики угла поворота могут иметь самую разную конструкцию — это могут быть поворотные резисторы, сельсины, магнесины, поворотные трансформаторы и индуктосины. Однако в последнее время энкодеры почти вытеснили все остальные типы датчиков
2. ↑ См. Лекцию «Датчики автоматизированных электроприводов» в разделе «Ссылки»
3. ↑ Смотри, например, инструкцию пользователя для микропроцессора LPC17xx

См. также

• Датчик положения ротора
• Измерительный преобразователь
• Электронный счетчик импульсов

Ссылки

• Источник статьи
• «Точность как в аптеке» — журнал «Мир автоматизации», № 1/2005
• Датчики линейных и угловых перемещений. Полезная информация. Статьи специалистов ОАО «СКБ ИС» — российского производителя датчиков перемещений.
  • Преобразователи угловых перемещений. Принцип действия
  • Выходные сигналы инкрементных преобразователей
  • Абсолютные датчики углового положения. Принцип действия
• Крауиньш Дмитрий Петрович. Автоматизированный привод. Лекция 6. «Датчики автоматизированных электроприводов» // Томский политехнический университет. Кафедра «Автоматизация и роботизация в машиностроении»