Электрические схемы счетчиков устройство


Электрические схемы счетчиков устройство
Электрические схемы счетчиков устройство
Электрические схемы счетчиков устройство
Электрические схемы счетчиков устройство

Начало формы

Энкодеры. Устройство и принцип работы

Энкодер / преобразователь угловых перемещений - устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота.

Широко применяются в промышленности.

Энкодеры подразделяются на инкрементальные и абсолютные, которые могут достигать очень высокого разрешения.

Инкрементальный энкодер выдает за один оборот определенное количество импульсов. А абсолютные энкодеры позволяют в любой момент времени знать текущий угол поворота оси, в том числе и после пропадания и восстановления питания. А многооборотные абсолютные энкодеры, кроме того, также подсчитывают и запоминают количество полных оборотов оси.

Энкодеры могут быть как оптические, резисторные, так и магнитные и могут работать через шинные интерфейсы или промышленную сеть.

Преобразователи угол-код практически полностью вытеснили применение сельсинов.

Инкрементальные энкодеры

Инкрементальные энкодеры предназначены для определения угла поворота вращающихся объектов. Они генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют посредством подсчёта импульсов от старта. Для вычисления угловой скорости объекта процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга (парафазные импульсы), что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

Принцип действия энкодеров

Датчики угловых перемещений служат для измерения основных кинематических параметров работы электропривода: скорости и положения вала. В недалеком прошлом для большинства подобных задач измерения использовались тахогенераторы постоянного и переменного тока или сельсины.

Вот что констатируют в своей работе украинские исследователи Курский А. С., Кайдаш Р. Ю. и Денисенко Д. А. «В качестве высокоточных датчиков использовались прецизионные тахогенераторы постоянного и переменного тока, но и они с трудом обеспечивали заданные требования и к тому же имели массу недостатков. Исключить множество недостатков свойственных аналоговой технике помогло внедрение дискретных импульсных датчиков. Фотоимпульсные датчики <энкодеры> имеют большие преимущества практически по всем параметрам (точности, габаритам, надежности, экономичности)… Использование фотоимпульсных датчиков расширяет возможности работы электропривода… «.

В подавляющем большинстве современных систем регулируемого привода, позиционирования и контроля углового положения используются инкрементные и абсолютные энкодеры. Определенный рынок, в связи с некоторыми техническими особенностями остается за резольверами (в частности из-за их толерантности к высоким и низким температурам: от -50оС и до +150оС).

Принцип работы фотоимульсных энкодеров — цифровой. Свет проходит от группы светодиодов к группе фотодиодов через прозрачный диск с нанесенными метками. Абсолютный энкодер имеет уникальную комбинацию меток для каждого углового положения, инкрементный — более прост: одинаковые метки равномерно распределены по всему радиусу диска.

Обычно энкодер имеет также т.н. „нулевую метку“, одну — на полный оборот диска. Эта метка имеет калибровочную функцию и не всегда требуется для простых задач измерения скорости. При вращении диска, механически связанного с приводным валом, каждое прохождение метки через светодиодную пару генерирует импульс. Эти импульсы в дальнейшем обрабатываются с помощью электронных устройств (программируемых логических контроллеров, преобразователей постоянного и переменного тока для электродвигателей, счетчиков).

Абсолютные энкодеры иногда имеют встроенный редуктор, который позволяет датчику не только определять точное значение углового перемещения в пределах одного оборота вала, но и отсчитывать количество оборотов вала (обычно с дискретностью 12 бит, т.е. 4096 оборотов вала). Данные абсолютные энкодеры, называемые „абсолютные многооборотные“, часто используются в прецизионных червячных приводах подачи.

Энкодер

Программа "Энкодер" предназначена для измерения относительного положения (перемещения), скорости и направления перемещения при помощи оптических датчиков перемещения (энкодеров), подключенных к входным каналам модулей АЦП и анализаторов спектра.

На базе оптических датчиков создаются датчики линейных и угловых перемещений. Точности таких датчиков могут быть от 1 мкм до 1 мм при длине измерительной базы от 8 мм до 3 м. Датчики угловых перемещений могут иметь от 100 до 10000 маркеров на один оборот, т.е. разрешение может быть до 5 минут.

Оптическая технология предложила ряд классических способов для построения энкодера - датчика, представляющего информацию о движении, положении или направлении либо непосредственно в цифровой форме, либо генерирующего последовательность импульсов, из которой после оцифровки может быть сформирован цифровой код.

Принцип работы энкодеров проиллюстрирован на рисунке 1. Оптический энкодер состоит из тонкого оптического диска и стационарного блока - измерительной головки, включающей в себя источник света и фотодетектор. Оптический диск включает поверхность из прозрачных и непрозрачных участков. Маркерами могут быть, например, отверстия в металлическом листе или метки на стеклянном диске. При вращении диска, в зависимости от его типа, маркеры пропускают или перекрывают луч света, направленный от светового источника к фотоприемнику.

Фотодетектор генерирует сигнал частотой, равной частоте следования кодовых элементов, в цифровой форме или аналоговый импульсный сигнал, который также может быть усилен и оцифрован. При добавлении второй пары "светодиод-фототранзистор" с угловым смещением относительно первой, соответствующим четверти периода сигнала, может быть получена вторая последовательность импульсов - канал Б с фазовым смещением относительно канала А на 90°. Инкрементальный энкодер, который использует три оптических датчика, позволяет одновременно удваивать разрешение при измерении положения и скорости и детектировать направление.


Рисунок 1

Датчики линейного и углового перемещения подключаются к модулям АЦП напрямую. Для питания датчиков можно использовать выход генератора. Разрешение инкрементальных энкодеров измеряется в импульсах за оборот (pulses per revolution, ppr). В программе "Энкодер" пользователю предоставляется возможность выбора разрешения используемого энкодера (окно "Разрешение, меток/е.и."). "Е.и." - единица измерения, которая может быть выбрана из ряда "мм, см, м, гр. (градусы), об. (обороты)" или прописано вручную в окне "Единица измерения".

Инкрементальные энкодеры

Инкрементальные энкодеры предназначены для определения угла поворота вращающихся объектов. Они генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют посредством подсчёта импульсов от старта. Для вычисления угловой скорости объекта процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга (парафазные импульсы), что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

Описание и принцип действия энкодеров

Цифровой оптический энкодер представляет собой преобразователь движения в последовательность цифровых импульсов. Декодированием последовательности битов цифровые импульсы можно преобразовать в относительные или абсолютные данные измерения. Энкодер может быть линейным или вращательным, причем последняя конфигурация встречается наиболее часто.

Выпускаются два вида вращательных энкодеров – абсолютные,  в которых некоторое уникальное цифровое слово соответствует каждому положению поворота  вала, и инкрементальные энкодеры, генерирующие цифровые импульсы по мере вращения вала  и позволяющие замерять относительное положение вала. Именно поэтому инкрементальные энкодеры еще иногда называют относительными. Большинство вращательных энкодеров состоят из стеклянного или пластмассового кодирующего диска, на который фотопечатью нанесены радиальные дорожки. Цифровые импульсы генерируются, когда  по радиальные линии прерывают направляемый на диск луч света.

Для правильного определения направления вращения вала вокруг оси необходимо установить два датчика – тогда направление можно узнать по последовательности восприятия датчиками каждой радиальной линии. Энкодеры с двумя датчиками называются квадратурными, поскольку два импульса смещены относительно друг друга на 90º.

Помимо оптических энкодеров применяются магнитные энкодеры, использующие датчик Холла и работающие по принципу регистрации этим двухканальным датчиком  последовательности полюсов магнита, и магнитно-резистивные энкодеры, в которых используется магнитно-резистивный эффект - изменение сопротивления в зависимости от направления магнитного поля.

Магнитно-резистивный абсолютный энкодер

Компания Lenord+Bauer разработала магнитный абсолютный энкодер новой конструкции, обеспечивающей повышенную надежность и точность.

В конструкции использован новый ферромагнитный контурный диск, в котором запрессован вал энкодера. Диск считывают магниторезистивные GMR-датчики. На металлическом контурном диске сделаны лишь три инкрементальные дорожки, на которых имеются  соответственно 64, 63 и 56 выступов. GMR-датчики сканируют эти три дорожки и генерируют синусоидальные сигналы, соответствующие положению выступов. Каждый оборот вала дает уникальное фазовое соотношение для выступов, которое анализируется по принципу Вернье для определения абсолютного положения. Таким образом, GEL 235 способен обеспечить 16-битовое разрешение за один оборот с точностью не ниже 0,1º, что является рекордным показателем для абсолютных энкодеров магнитного действия.

Подробнее см. на сайте производителя: Lenord

Абсолютный энкодер SENDIX 5858 производства Kuebler (Kubler)

Быстродействующий энкодер определяет положение каждые 100 мкс, обладает усовершенствованной системой упраления ошибками ошибок при позиционировании контроллера и датчика с поправкой на температуру (при неполадках генерирует сообщения , дает оптическую индикацию).
Интерфейс пользователя энкодера обеспечивает световую индикацию с помощью трех светодиодов. Через встроенный последовательный интерфейс пользователя включаются режимы внутренней диагностики.

Подробнее см. на сайте производителя: Kuebler.

Многолетний опыт показывает: если крупное производство стоит, необходимые меры по локализации и устранению неисправности должны быть предприняты молниеносно. Очень часто причиной аварии является выход из строя электропривода, особенно если он не снабжён энергосберегающими системами автоматического контроля и регулирования скорости.
Производственно-техническая фирма "Консис" является интегратором решений в области регулируемого электропривода, а одним из важнейших его элементов, отвечающих за точность работы автоматики привода, являются датчики угловых перемещений, также называемые угловыми шифраторами или энкодерами (от английского encoder - "кодирующее устройство"). Энкодеры имеют широкое применение в любой отрасли промышленности. Абсолютные и инкрементные энкодеры устанавливаются на приводы бумагоделательных и картоноделательных машин, пресспатов, упаковочных агрегатов, лесозаготовительных машин и деревообрабатывающих станков, продольно- и поперечнорезательных (рубительных) машин, прокатных станов, на приводы лифтов и подъёмных кранов, суппорты токарных станков и координатных столов - то есть на любой мощный электропривод. Настоящий материал посвящен энкодерам, производимым шведской компанией Leine&Linde, которая входит в пятерку ведущих мировых производителей датчиков угловых перемещений.

Принцип действия энкодеров
Цифровые фотоимпульсные энкодеры служат для измерения основных кинематических параметров работы электропривода: скорости и положения вала. В недалёком прошлом для этого использовались сельсины или тахогенераторы постоянного и переменного токов. Цифровые датчики имеют большие преимущества перед аналоговыми практически по всем параметрам. В большинстве современных систем регулируемого привода для позиционирования и контроля углового положения используются инкрементные и абсолютные энкодеры.
В фотоимпульсных датчиках свет проходит от излучающих светодиодов к фотодиодным светоприёмникам через прозрачный диск с метками. Абсолютный энкодер имеет уникальную комбинацию меток для каждого углового положения, а на инкрементном одинаковые метки распределены по диску равномерно. При прохождении меток через светодиодную пару генерируются импульсы, которые в дальнейшем обрабатываются с помощью электронных устройств (программируемых логических контроллеров, преобразователей постоянного и переменного токов для электродвигателей, счетчиков).
Основным же преимуществом абсолютного энкодера перед инкрементным является функция сохранения текущего значения углового перемещения вне зависимости от того, подано питание на датчик или нет.

Основные параметры, необходимые для выбора энкодера:
- количество импульсов на оборот (обычно от 1 до 5000);
- количество бит для абсолютных энкодеров (обычно 10, 12, 13, 25);
- диаметр вала или отверстия под вал;
- тип выходного сигнала (HTL, TTL, RS422, двоичный код и код Грея, SSI, Profibus DP, CAN…);
- напряжение питания;
- длина кабеля и тип разъёма;
- дополнительные требования по крепежу (необходимость муфты, монтажного фланца, крепёжной штанги и др.).

 

Требования к установке и рекомендации по эксплуатации

Точная центровка при установке датчиков - главное требование для обеспечения их долговременной службы. Исполнение энкодера с валом

(рис. 1) предусматривает установку прецизионной муфты с фланцем, которая должна демпфировать угловое отклонение, осевое биение и несоосность валов при установке. Жёсткое соединение валов может привести к существенному износу подшипников.
Исполнение энкодера с полым ротором

(рис. 2) исключает использование муфты и фланца. Энкодер монтируется непосредственно на нерабочий конец вала двигателя и с помощью штанги закрепляется на корпусе от проворота за валом.
Сейчас все большее распространение получают энкодеры с полым валом - их легче устанавливать, удобнее настраивать и обслуживать. Нужно отметить, что срок службы энкодера при правильном монтаже и подключении должен составлять не менее 50 000 часов, т.е. почти 6 лет.
В таблице приведено сравнительное описание двух систем крепления.

 

 

Энкодеры с валом

Энкодеры с полым ротором

Установка

Требует большего количества принадлежностей и точной центровки; занимает больше места (муфта + вал датчика + корпус датчика)

Большого количества принадлежностей не требуется; требуется точная выверка вала, на который монтируется энкодер; занимает меньше места

Устойчивость к ошибке центровки

В зависимости от выбранной муфты очень ограниченная

Высокая на низких оборотах, ограниченная на высоких

Последствия неточной центровки

Нагрузка на подшипники и муфту, большая погрешность сокращает срок службы. Дает ошибку углового измерения в зависимости от типа муфты

Динамическая нагрузка на подшипники возрастает в геометрической прогрессии с увеличением скорости вращения вала. Ошибка измерения пропорциональна погрешности центровки и прямо с ней связана

Устойчивость к осевым биениям

Ограниченная

Очень хорошая

 

101 % качества
Чтобы наглядно охарактеризовать преимущества энкодеров Leine&Linde, расскажем о той последовательности тестов, которым подвергаются датчики.
Первое, что нужно проверить - его работоспособность, при этом замеряются все его электрические параметры. Диапазон частоты, точность сигналов, защита от короткого замыкания и максимальная нагрузка - лишь некоторые из них. После этого энкодер проходит тестирование в климатической камере, на вибрационном стенде и в лаборатории электромагнитной совместимости.
Климатическая камера поддерживает температуру от -60 до +150 °С. Каждый тест может включать до 20 температурных циклов. Виброустойчивость энкодеров проверяется по трём ортогональным осям, одна из которых параллельна валу датчика. К энкодеру применяются три вибрационных амплитуды: 100, 200 и 300 м/с2. Время стандартного теста - 3 цикла по 20 часов. Уровень вибрации, которому подвергается датчик во время тестов, значительно превышает уровень вибрации в нормальных условиях на производстве. Электромагнитная совместимость (ЕМС) - это, во-первых, требование устойчивости к электромагнитным помехам, а во-вторых - ограничения, накладываемые на оборудование как на источник электромагнитных помех. Энкодеры подвергаются также длительным испытаниям на износоустойчивость. Тест подразумевает работу на максимально допустимых скоростях в течение длительного времени.
Процесс тестирования продукции на заводе Leine&Linde - очень важная часть работы по обеспечению её качества и высокого технического уровня. Неудивительно, что поворотные шифраторы Leine&Linde славятся своим высоким качеством, прочностью и эксплуатационной надёжностью.
ПТФ "Консис", являющийся официальным дистрибьютором Leine&Linde в России, гарантирует, что любой энкодер из производственной линейки Leine&Linde может быть собран на заводе и отправлен заказчику в максимально короткие сроки, вплоть до одного рабочего дня.
Если и Вам требуется высокое качество, эксплуатационная надёжность и оптимальные сроки поставки, очень советуем попробовать работать с энкодерами Leine&Linde.

Андрей Боскис

AVR. Учебный Курс. Инкрементальный энкодер.

Энкодер это всего лишь цифровой датчик угла поворота, не более того.

Энкодеры бывают абсолютные — сразу выдающие двоичный код угла и инкрементальные, дающие лишь указание на направление и частоту вращения, а контроллер, посчитав импульсы и зная число импульсов на оборот, сам определит положение.

Если с абсолютным энкодером все просто, то с инкрементальным бывают сложности. Как его обрабатывать?

С Энкодера выходят два сигнала А и В, сдвинутых на 90 градусов по фазе, выглядит это так:

А дальше пляшем от типа энкодера. А они бывают разные.

Механический
Тебе, скорей всего, в руки попадется либо механический, либо оптический с малой дискретностью. Выдающий, в лучшем случае, пару десятков импульсов на оборот. Устроен он просто — две контактные группы замыкаются в нужном порядке в зависимости от вращения.

В оптическом же может быть два фонаря и два фотодиода, святящие через диск с прорезями (шариковая мышка, ага. Оно самое).

Механический подключается совсем просто центральный на землю, два крайних (каналы) на подтянутые порты. Я, для надежности, подключил внешнюю подтяжку. Благо мне на Pinboard для этого только парой тумблеров щелкнуть:

Оптический подключается в зависимости от типа оптодатчика, обычно там стоит два фотодиода с общим анодом.

Обычно, все пытаются работать с ними через прерывания INT, но этот метод так себе. Проблема тут в дребезге - механические контакты, особенно после длительного пользования, начинают давать сбои и ложные импульсы в момент переключения. А прерывание на эти ложные импульсы все равно сработает и посчитает что нибудь не то.

Лучше считать не импульсы, а состояния.

Метод прост:
Подставим нули и единички, в соответствии с уровнем сигнала и запишем последовательность кода:

A:0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
B:1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

Если A и B идут на одни порт контроллера (например на A=PB0 B=PB1), то при вращении энкодера у нас возникает меняющийся код:

11 = 3
10 = 2
00 = 0
01 = 1
11 = 3

Теперь остается только циклически опрашивать наш энкодер сравнивая текущее состояние с новым и на основании этого делающего выводы о вращении. Причем частота опроса должна быть такой, чтобы не пропустить ни одного импульса. Например, мой EC12 имеет 24 импульса на оборот. Вращать его предпологается вручную и я вряд ли смогу вращать его с космической скоростью, но решил все же замерить. Подключился к осциллографу, крутнул ручку что есть мочи:

Выжал меньше килогерца. Т.е. опрашивать надо примерно 1000 раз в секунду. Можно даже реже, будет надежней в плане возможного дребезга. Сейчас, кстати, дребезга почти нет, но далеко не факт что его не будет потом, когда девайсина разболтается.

Сам опрос должен быть в виде конечного автомата. Т.е. у нас есть текущее состояние и два возможных следующих.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

// Эту задачу надо запускать каждую миллисекунду.

// EncState глобальная переменная u08 -- предыдущее состояние энкодера

// EncData глобальная переменная u16 -- счетный регистр энкодера

 

 

void EncoderScan(void)

{

u08 New;

 

New = PINB & 0x03; // Берем текущее значение

// И сравниваем со старым

 

// Смотря в какую сторону оно поменялось -- увеличиваем

// Или уменьшаем счетный регистр

 

switch(EncState)

{

case 2:

{

if(New == 3) EncData++;

if(New == 0) EncData--;

break;

}

 

case 0:

{

if(New == 2) EncData++;

if(New == 1) EncData--;

break;

}

case 1:

{

if(New == 0) EncData++;

if(New == 3) EncData--;

break;

}

case 3:

{

if(New == 1) EncData++;

if(New == 2) EncData--;

break;

}

}

 

EncState = New; // Записываем новое значение

// Предыдущего состояния

 

SetTimerTask(EncoderScan,1); // Перезапускаем задачу через таймер диспетчера

}

Почему я под счетчик завел такую большую переменную? Целых два байта? Да все дело в том, что у моего энкодера, кроме импульсов есть еще тактильные щелчки. 24 импульса и 24 щелчка на оборот. А по моей логике, на один импульс приходится четыре смены состояния, т.е. полный период 3201_3201_3201 и один щелчок дает 4ре деления, что некрасиво. Поэтому я считаю до 1024, а потом делю сдвигом на четыре. Получаем на выходе один щелочок - один тик.

Скоростной опрос на прерываниях
Но это механические, с ними можно простым опросом обойтись — частота импульсов позволяет. А бывают еще и высокоскоростные энкодеры. Дающие несколько тысяч импульсов на оборот, либо работающие на приводах и вращающиеся очень быстро. Что с ними делать?

Ускорять опрос занятие тупиковое. Но нас спасает то, что у таких энкодеров, как правило, есть уже свои схемы подавления дребезгов и неопределенностей, так что на выходе у них четкий прямоугольный сигнал (правда и стоят они совершенно негуманно. От 5000р и до нескольких сотен тысяч. А что ты хотел — промышленное оборудование дешевым не бывает).

Так что без проблем можно применять прерывания. И тогда все упрощается неимоверно. Настраиваем всего одно прерывание по внешнему сигналу. Например, INT0 настраиваем так, чтобы сработка шла по восходящему фронту. И подаем на INT0 канал А.

Пунктиром показано предполагаемое положение в произвольный момент. Красные стрелки это фронты по которым сработают прерывания при движении либо в одну, либо в другую сторону.

А в обработчике прерывания INT0 щупаем вторым выводом канал В. И дальше все элементарно!

Если там высокий уровень - делаем +1, если низкий -1 нашему счетному регистру. Кода на три строчки, мне даже писать его лень.

Конечно, можно такой метод прикрутить и на механический энкодер. Но тут надо будет заблокировать прерывания INT0 на несколько миллисекунд. И НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ нельзя делать это в обработчике.

Алгоритм прерывания с антидребезгом будет выглядеть так:

Зашли в обработчик INT0

Пощупали второй канал

+1 или -1

Запретили локально INT0

Поставили на таймер событие разрешающее INT0 через несколько миллисекунд

Вышли из обработчика

Сложно? Нет, не сложно. Но зачем? Проще сделать банальный опрос, как указано выше и не зависеть от выводов прерываний. Впрочем, хозяин барин.

Электрические схемы счетчиков устройство Электрические схемы счетчиков устройство Электрические схемы счетчиков устройство Электрические схемы счетчиков устройство Электрические схемы счетчиков устройство Электрические схемы счетчиков устройство Электрические схемы счетчиков устройство Электрические схемы счетчиков устройство Электрические схемы счетчиков устройство Электрические схемы счетчиков устройство Электрические схемы счетчиков устройство Электрические схемы счетчиков устройство

Статьи по теме:



Как сделать лого без фотошопа

Замена кулера на процессоре своими руками

Схема установки поршневых колец ваз 21083

Прически для волос несложные фото

Букет невесты своими руками из органзы