Encoders uitgelegd: principes, typen en industriële toepassingen

Encoderoverzicht

Een encoder is een elektromechanisch apparaat dat op een motoras is gemonteerd en dat de snelheid en positie van de motor volgt en terugkoppelt door digitale pulsen uit te voeren. Het belangrijkste werkingsprincipe is als volgt: door het tellen van de door de encoder gegenereerde pulsen kan het systeem de verplaatsing van de huidige positie van de motor ten opzichte van de laatst bekende positie berekenen, waardoor wordt geverifieerd of de motor de doelpositie nauwkeurig heeft bereikt.

De basisstructuur van een encoder bestaat uit een lichtbron, een schijf (codeschijf) met sleuven langs de rand gegraveerd, en een lichtontvanger. Wanneer de codeschijf samen met de motoras draait, hakken de sleuven de continue statische lichtbron in een reeks flitsen. De lichtontvanger detecteert deze veranderingen tussen licht en donker en zet deze om in digitale vierkante-golfpulssignalen, die vervolgens naar de hoofdcontroller worden gestuurd. Als de resolutie van de encoder overeenkomt met de stapresolutie van de motor, genereert de encoder één corresponderende puls voor elke stap van de motorbeweging.

I. Incrementele encoders

1. Werkingsprincipe en uitgangssignalen

Een incrementele encoder werkt door tijdens beweging een reeks pulsen te genereren. De codeschijf heeft uniform verdeelde slots. Wanneer de as draait, detecteert een vaste foto-elektrische pick-up de veranderingen in het doorgelaten licht en geeft een continue pulssequentie af. Een standaard incrementele encoder levert doorgaans twee blokgolfsignalen met een faseverschil van 90 graden (kanaal A en kanaal B), ook wel 'kwadratuursignalen' genoemd. De faserelatie tussen deze twee signalen wordt gebruikt om de draairichting nauwkeurig te bepalen.

2. Relativiteit van positie-informatie en de kwestie van -uitschakelingsverlies

Er wordt een incrementele encoder uitgevoerdrelatieve verplaatsinginformatie in plaats van een absolute positie. Nadat het systeem is ingeschakeld, begint de encoder met het tellen en uitvoeren van pulsen, en een externe teller of controller verzamelt deze pulsen om de huidige positie te berekenen. Zodra de stroom echter uitvalt, stopt de pulsuitvoer, en als de extern opgeslagen telwaarde geen back-upstroom heeft, gaat deze verloren. Nadat de stroom is hersteld, kan de encoder niet automatisch de huidige aspositie kennen en begint de telwaarde opnieuw vanaf nul.

3. Noodzaak van thuiskomst (terugkerend naar referentie)

Vanwege de bovenstaande kenmerken moeten systemen die incrementele encoders gebruiken, elke keer dat ze opstarten of opnieuw opstarten na een stroomstoring een "homing" -bewerking uitvoeren. Deze handeling zorgt er doorgaans voor dat de motor beweegt totdat een vooraf gedefinieerd fysiek referentiepunt wordt geactiveerd, zoals een eindschakelaar, een magnetische schakelaar of de Z--fase-indexpuls op de encoderschijf. Zodra dit punt is gevonden, reset het systeem de positieteller of stelt deze in op een bekende waarde, die vervolgens dient als absolute referentie voor alle daaropvolgende bewegingen.

4. Voordelen, nadelen en toepassingen

Voordelen:Relatief eenvoudige structuur, lage kosten en hoge betrouwbaarheid.
Nadelen:Positie-informatie gaat verloren nadat de stroom-uitgeschakeld is en is afhankelijk van een homing-operatie; Het anti-interferentievermogen is relatief zwak en ruispulsen kunnen per ongeluk in de positie worden meegeteld.
Oplossing:Voor toepassingen waarbij positiebehoud nodig is nadat de stroom-uitgeschakeld is, kan een back-upbatterij worden gebruikt om de toonbank of opslageenheid van stroom te voorzien.

II. Absolute encoders

1. Kernprincipe: unieke absolute positiecodering

Het fundamentele kenmerk van een absolute encoder is dat aan elke mechanische positie op de codeschijf eenunieke digitale code. Dit wordt gewoonlijk bereikt door meerdere concentrische codesporen op de schijf te vervaardigen (elk spoor vertegenwoordigt één binaire bit) en meerdere onafhankelijke foto-elektrische sensoren te gebruiken. Daarom komt het uitgangssignaal, zelfs wanneer het stilstaat of is uitgeschakeld, rechtstreeks overeen met de absolute hoekpositie van de as.

2. Positiebehoud na uitschakeling-en onmiddellijke beschikbaarheid bij inschakeling-

Omdat de positie-informatie op unieke wijze wordt bepaald door het fysieke patroon van de codeschijf, verliest een absolute encoder geen positie na het uitschakelen van de stroom-. Wanneer het systeem opnieuw wordt ingeschakeld, kan de controller onmiddellijk de huidige absolute positiecode lezen zonder enige homing-bewerking uit te voeren, waardoor 'stroom-aan en klaar-voor-gebruik' wordt bereikt, wat de opstartefficiëntie en veiligheid aanzienlijk verbetert.

3. Typen enkele- bochten en meerdere- bochten

Absolute encoders met één-turnbieden een unieke positiewaarde binnen één rotatie van 360 graden en zijn geschikt voor toepassingen waarbij het bewegingsbereik minder dan één omwenteling bedraagt.
Absolute encoders met meerdere-turnsbieden niet alleen een unieke waarde binnen één omwenteling, maar registreren ook het aantal omwentelingen via een interne versnellingsbak of elektronisch telmechanisme. Ze kunnen een globale absolute positie over meerdere bochten weergeven (bijvoorbeeld maximaal 4096 bochten) en zijn geschikt voor positioneringstoepassingen over lange- reizen.

4. Signalen en voordelen

Uitvoercode:Er wordt vaak grijze code gebruikt, waarbij slechts één bit tussen aangrenzende posities verandert, waardoor leesfouten effectief worden voorkomen.
Anti-interferentievermogen:De positie wordt bepaald door het onmiddellijk lezen van het codeschijfpatroon, zodat incidentele elektrische ruispulsen zich niet ophopen, wat resulteert in een sterke ruisimmuniteit.
Hoge veiligheid en flexibiliteit:De positie kan onmiddellijk worden geverifieerd als de stroom wordt ingeschakeld-, waardoor risico's worden vermeden die worden veroorzaakt door het starten vanuit een onbekende positie; elk punt kan worden gebruikt als programmeerbare referentie, waardoor het systeemontwerp flexibeler wordt.

III. Mechanische absolute encoders (magnetisch type)

Dit is een nieuw type oplossing voor absolute positiedetectie, gebaseerd op magnetische detectieprincipes, waarbij vermogen-uit geheugen wordt gecombineerd met hoge omgevingstolerantie.

1. Principe van detectie van enkele- draaipositie

De kern bestaat uit een speciale composietmagneet die in het midden van de motoras is gemonteerd (met bipolaire magnetisatie in het midden en meerpolige magnetisatie aan de rand) en bijbehorende magnetoresistieve sensoren. De sensor leest derichtingvan het centrale magnetische veld om een ​​grove absolute hoek te verkrijgen (bijvoorbeeld opgelost tot 180 graden), en detecteert tegelijkertijd defaseveranderingenvan het perifere magnetische veld met hoge-dichtheid om hoekonderverdeling met hoge- resolutie te verkrijgen. Door deze twee te combineren, kan de exacte absolute positie van één-bocht worden berekend.

2. Multi--positiedetectieprincipe

Om absolute positiedetectie in meerdere- bochten te realiseren, introduceert het systeem een ​​precisietandwieltrein. Het hoofdtandwiel is op de motoras gemonteerd en wordt gevolgd door een reeks reductietandwielen met specifieke tandverhoudingen. Elke versnelling is uitgerust met een eigen magneet en sensor.

Werkingsprincipe:Wanneer de motoras draait, draait elk tandwiel met een andere snelheid. De magneten op deze tandwielen genereren een unieke combinatie vanfaseverschillengerelateerd aan hun posities. Het systeem detecteert de magnetische fluxfase van elke versnelling en kan, door deze reeks faseverschillen te decoderen, op unieke wijze de absolute mechanische positie van de motoras bepalen over een bereik van maximaal enkele duizenden omwentelingen.
Ontwerpkenmerken:Het aantal tandwieltanden is speciaal zo ontworpen dat de faseverschilcombinatie zich pas herhaalt na het bereiken van het maximaal detecteerbare aantal omwentelingen (bijvoorbeeld 1800 omwentelingen), waardoor de uniciteit van de positiecode wordt gegarandeerd. De tandwielen worden alleen gebruikt voor detectie en zijn niet belast. Ze zijn gemaakt van zelfsmerende harsmaterialen, waardoor een lange levensduur wordt gegarandeerd.

3. Kernvoordelen en toepassingsscenario's

Geen batterij, permanent geheugen:De positie-informatie wordt bepaald door de fysieke posities van de mechanische tandwielen en de magneetpatronen, en gaat nooit verloren, zelfs niet na volledig vermogensverlies.
Hoge milieutolerantie:Omdat er geen optische precisiecomponenten zijn en een volledig gesloten ontwerp met magnetische detectie, biedt het een veel betere weerstand tegen stof, olieverontreiniging, condensatie, trillingen en bepaalde temperatuurschokken dan optische encoders.
Balans tussen kosten en betrouwbaarheid:Hoewel de resolutie misschien niet overeenkomt met die van top-optische encoders, maken de robuuste structuur, hoge betrouwbaarheid en het onderhouds-batterijvrije-ontwerp het een ideale keuze voor industriële toepassingen die duurzaamheid, veiligheid en het elimineren van batterijonderhoud vereisen.

IV. Samenvatting en selectiereferentie

Conclusie

Voor stappenmotoren met open-lus of standaard servosystemen,incrementele encodersblijven de reguliere keuze vanwege hun hoge kosten-efficiëntie. In toepassingen waarvoor 'stroom-aan en klaar-voor-gebruik', hoge veiligheid of complexe positioneringsfuncties vereist zijn,absolute encoderszijn onmisbaar. Tot de absolute oplossingen behorenmechanische absolute encodersBied ingenieurs een krachtig alternatief dat het systeemontwerp kan vereenvoudigen en de betrouwbaarheid op de lange- termijn kan verbeteren, dankzij hunbatterij-vrij permanent geheugenEnuitstekende industriële duurzaamheid.