Энкодер — это прибор, преобразующий линейное или угловое перемещение в электрические сигналы, позволяющие определить величину этого перемещения.
В последнее время название этих приборов – «энкодеры» утвердилось, и стало общеупотребимым. Мы не беремся здесь и сейчас обсуждать преимущества или недостатки названия «Энкодеры», а также его правильность. Просто говорим, что это название утвердилось и все заинтересованные лица понимают о чем идет речь. Перечень прежних названий этих приборов был весьма разнообразен: фото-импульсные датчики, ФИДы, датчики угловых перемещений, ДУПы, преобразователи фотоэлектрические, преобразователи вращения (например, ЭНИМС-овский ВЕ178) и т д. В настоящее время даже такой значительный российский производитель датчиков перемещения, как СКБ ИС, в скобках, после названия «Преобразователь перемещения», использует слово «Энкодер». Будем и мы далее использовать данное название.
Различают инкрементные энкодеры, абсолютные энкодеры, аналоговые энкодеры и резольверы. Первые три вида бывают магнитными и оптическими, в зависимости от физического процесса, позволяющего осуществить преобразование угла или перемещения в электрический сигнал. Резольверы – датчики угловых перемещений на основе вращающихся трансформаторов. Как правило, к ним название «энкодер» не употребляют.
Инкрементные энкодеры (от англ. increment «увеличение, приращение») на своем выходе формируют последовательность импульсов, которые поступают на счетные или другие приемные устройства, и число импульсов или их фронтов подсчитывается. Сразу же после подачи питания измеряемое положение неизвестно, поскольку на выходе инкрементального энкодера имеется информация лишь о приращении положения. После включения, для привязки счета к началу системы координат механизма или станка, запускается процедура «выхода в ноль» (Homing). Система совершает пробное движение и находит некие нулевые реперные точки. В момент прохождения через эти точки задается привязка к началу координат. После этого момента подсчет импульсов с выхода энкодера позволяет точно определить положение исполнительного механизма, но только в том случае, если высокая частота импульсов или помехи позволяют это сделать. Сбой подсчета импульсов с выхода инкрементального энкодера приводит к ошибкам перемещения, к неработоспособности системы в целом, и требует, по меньшей мере, повторного «выхода в ноль».
Выходной сигнал инкрементального энкодера может представлять собой две последовательности прямоугольных импульсов в форме меандры, сдвинутых друг относительно друга на четверть периода. Последовательности обозначаются обычно латинскими буквами A и B. Знак угла сдвига между A и B определяет направление движения. Третий выход инкрементального энкодера формирует короткий импульс, называемый ноль-меткой (Z-меткой, индексом), который строго привязан к определенному месту положения ротора энкодера. Эта ноль-метка часто используется системой точного перемещения в процедуре «выхода в ноль».
В случае, если инкрементальный энкодер имеет высокую разрешающую способность (например, 17 bit или 20 bit), то нет возможности передать высокочастотный сигнал на вход приемного устройства и потом его подсчитать. В этом случае поступают следующим образом. Предварительный подсчет импульсов производят в самом энкодере, а последующим устройствам передается информация о положении с помощью фреймов (сообщений) по последовательной цифровой сети. Описанный выше способ часто используют в высокоточных сервоприводах.
И еще одно замечание, на которое хотелось бы обратить внимание при рассмотрении инкрементальных энкодеров. В специальных энкодерах, предназначенных для работы с некоторыми сервоприводами, кроме обычных последовательностей импульсов A, B и Z имеется три дополнительных выхода, на которых формируется сигналы о положении ротора вращающегося синхронного серводвигателя. Выходы обычно имеют названия U,V,W (иногда HA,HB,HC). Такой специальный энкодер невозможно заменить обычным энкодером с выходами A, B и Z. Понять, имеются ли у запрашиваемого Клиентом энкодера дополнительные выходы U,V,W можно по документации к конкретному сервоприводу, где такая информация, как правило, имеется. Или по количеству выводов, которых у спец энкодеров не меньше 15.
Абсолютные энкодеры. По выходной информации таких энкодеров можно судить о положении его ротора независимо от того отключалось ли его питание или нет. Различают однооборотный абсолютный энкодер и многооборотный.
Однооборотный абсолютный энкодер преобразует угол поворота вала энкодера в цифровой код. Причем каждому положению внутри оборота соответствует свое значение кода. Форма представления цифрового кода может быть различной: параллельный код (двоичный, двоично-десятичный, Грея и др.) и последовательный код, когда информация о положении содержится в цифровых сообщениях, формируемых на выходе энкодера (например, с помощью протоколов SSI, BiSS, CAN Open и др.)
Многооборотный абсолютный энкодер формирует информацию о положении не только внутри оборота, но и подсчитывает ещё количество полных оборотов вала энкодера. Количество полных оборотов, которое запоминает в своей памяти такой энкодер, может достигать величины в несколько сотен тысяч. Форма представления цифрового кода – последовательный и/или параллельный код.
Весьма часто, в сервоприводах многооборотный абсолютный энкодер используется совместно с внешней аккумуляторной батареей, подключенной к специальным клеммам этого энкодера. Без батарей память о положении привода после отключения питания теряется. И такой энкодер без батареи используется как инкрементальный энкодер.
Аналоговый энкодер. Выходной сигнал аналогового энкодера представляет собой две последовательности синусоидальных сигналов, сдвинутых друг относительно друга на фазный угол 90°. Амплитуда сигналов составляет 0.5В (размах колебаний Upp – 1В). Всего сигналов 4, поскольку каждая последовательность представлена прямым и инверсным сигналами (два дифференциальных выхода). В паспортных данных к энкодеру всегда указывается количество периодов синусоидальных сигналов на оборот вала или длина соответствующая периоду для линейных аналоговых энкодеров.
С помощью последующей совместной обработки двух синусоидальных выходных сигналов (с помощью метода интерполяции) можно получить высочайшую разрешающую способность, которая в тысячи раз точнее, чем период этих выходных сигналов (коэффициент мультипликации может достигать значения 4096).
Аналоговые энкодеры используются, как правило, в высокоточных прецизионных системах позиционирования.
Резольвер. Или, так называемый, вращающийся трансформатор. Резольвер имеет входную обмотку возбуждения, на которую извне подается сигнал с высокой частотой (единицы или десятки килогерц). На двух выходных обмотках формируются сигналы с амплитудой и фазой, которые зависят от положения ротора резольвера. С помощью последующей обработки двух выходных сигналов (с помощью метода интерполяции) можно получить информацию о положении ротора резольвера.
Некоторые известные европейские производители электроприводов используют резольверы, как основной датчик обратной связи сервосистем. Китайские производители отдают предпочтение (на данный момент) энкодерам на валу серводвигателей.
Отсутствие электронных элементов в самом резольвере, позволяет обеспечить повышенный температурный диапазон работы и большую механическую прочность этого датчика по сравнению с энкодерами, содержащими электронные компоненты.
