Енкодерите са често срещани в продуктите за управление на движението, а въртящите се енкодери са ключови компоненти на вериги за обратна връзка за управление на движение, включително оборудване за промишлена автоматизация и управление на процеси, роботика, медицинско оборудване, енергетика, космонавтика и др.
Като устройства, които преобразуват механичното движение в електрически сигнали, енкодерите предоставят на инженерите основни данни като позиция, скорост, разстояние и посока, които могат да се използват за оптимизиране на работата на цялостната система.
Оптичен, магнитен и капацитивен са трите основни енкодерни технологии, достъпни за инженерите. Въпреки това има редица фактори, които трябва да се вземат предвид, за да се определи коя технология е най-добра за евентуално приложение.
Тази статия ще направи преглед на технологиите за оптични, магнитни и капацитивни енкодери и ще обсъди накратко предимствата и недостатъците на всяка технология.
1. Оптичен енкодер
Оптичните енкодери са популярен избор на пазара на приложения за управление на движение от много години. Състои се от LED източник на светлина (обикновено източник на инфрачервена светлина) и фотодетектор, които са разположени от двете страни на кодовата табела на енкодера.
Кодовата плоча е направена от пластмаса или стъкло, със серия от прозрачни и непрозрачни линии или слотове, подредени на интервали. Когато кодовият диск се върти, светодиодният оптичен път се блокира от линиите или слотовете, подредени на интервали върху кодовия диск, като по този начин се генерират два типични правоъгълни A и B ортогонални импулса, които могат да се използват за определяне на въртенето и скоростта на оста .
Технически анализ на оптични, магнитни и капацитивни енкодери
Фигура 1: Типични A и B ортогонални импулси за оптични енкодери, включително индексни импулси (Снимка: CUI Devices)
Въпреки че оптичните енкодери са широко използвани, те все още имат няколко недостатъка. В прашна и замърсена среда, като промишлени приложения, замърсителите могат да се натрупат върху кодовата плоча, като по този начин блокират предаването на LED светлина към оптичния сензор.
Надеждността и точността на оптичния енкодер са силно засегнати, тъй като замърсеният кодов диск може да доведе до прекъсване или пълна загуба на квадратна вълна.
Светодиодите имат ограничен експлоатационен живот и в крайна сметка ще изгорят, което ще доведе до повреда на енкодера. В допълнение, стъклените или пластмасовите кодови дискове са податливи на повреда поради вибрации или екстремни температури, като по този начин ограничават приложимостта на оптичните енкодери в приложения с тежка среда; Сглобяването му в двигател не само отнема много време, но носи и по-голям риск от замърсяване.
И накрая, ако разделителната способност на оптичния енкодер е висока, той ще консумира повече от 100 mA ток, което допълнително ще повлияе на приложението му в мобилни устройства или устройства, захранвани с батерии.
2. Магнитен енкодер
Магнитните енкодери са подобни по структура на оптичните енкодери, но използват магнитно поле, а не светлинен лъч. Магнитните енкодери заменят прорезните оптични кодови дискове с магнитни кодови дискове с раздалечени магнитни полюси, които се въртят върху редица сензори с ефект на Хол или сензори за нежелание.
Всяко завъртане на кодовата плоча ще накара тези сензори да реагират и полученият сигнал ще бъде предаден към предната верига за кондициониране на сигнала, за да се определи позицията на вала.
В сравнение с оптичните енкодери, магнитните енкодери имат предимството да са по-издръжливи, устойчиви на вибрации и удар. Освен това работата на оптичните енкодери е силно компрометирана в случай на замърсители като прах, мръсотия и маслени петна, докато магнитните енкодери не са засегнати, което ги прави идеални за приложения в тежка среда.
Въпреки това, електромагнитните смущения, генерирани от двигатели (особено стъпкови двигатели), ще имат голямо въздействие върху магнитния енкодер, а температурните промени също ще причинят отклонение на позицията му.
В допълнение, разделителната способност и точността на магнитните енкодери са относително ниски и са много по-ниски от оптичните и капацитивните енкодери в това отношение.
3. Капацитивен енкодер
Капацитивният енкодер се състои от три основни части: ротор, фиксиран предавател и фиксиран приемник. Капацитивното отчитане използва лента или линеен модел с един полюс върху фиксиран елемент и ДРУГИЯ полюс върху ДВИЖЕЩ се елемент, за да образува променлив кондензатор, конфигуриран като двойка приемници/предаватели.
Роторът е гравиран със синусоидална вълна, която произвежда специфичен, но предвидим сигнал, докато валът на двигателя се върти. След това този сигнал се преобразува от вградената ASIC на енкодера, за да се изчисли позицията и посоката на въртене на оста.
Технически анализ на оптични, магнитни и капацитивни енкодери
Фигура 2: Сравнение на енкодер дискове (Снимка кредит: CUI устройства)
4. Капацитивен енкодер
Капацитивният енкодер работи на същия принцип като цифровия дебеломер, така че осигурява решение, което преодолява много от недостатъците на оптичните и магнитните енкодери.
Базираната на капацитет технология, използвана в линията AMT енкодери на CUI Devices, се е доказала като много надеждна и много точна.
Тъй като не са необходими светодиоди или линия на видимост, капацитивните енкодери могат да постигнат желаните резултати дори когато срещат замърсители от околната среда, които могат да повлияят неблагоприятно на оптичните енкодери, като прах, мръсотия и маслени петна.
В допълнение, той е по-малко податлив на вибрации и изключително високи/ниски температури от стъклените кодови дискове, използвани в оптичните енкодери.
Както бе споменато по-рано, капацитивните енкодери обикновено имат по-дълъг експлоатационен живот от оптичните енкодери, тъй като светодиодите не изгарят.
В резултат на това капацитивният енкодер има по-малък размер на опаковката и консумира по-малко ток в целия диапазон на разделителна способност от само 6 до 18 mA, което го прави по-подходящ за приложения, захранвани от батерии.
Тъй като здравината, точността и разделителната способност на капацитивната технология са по-високи от тези на магнитния енкодер, електромагнитните смущения и електрическият шум, пред които е изправен последният, нямат голямо влияние върху него.
В допълнение, цифровият характер на капацитивните енкодери предлага ключови предимства по отношение на гъвкавост и програмируемост. Тъй като разделителната способност на оптичен или магнитен енкодер се определя от плочата на енкодера, всеки път, когато са необходими други разделителни способности, се използва нов енкодер, което води до увеличаване на времето и цената на процеса на проектиране и производство.
Въпреки това, капацитативните енкодери имат набор от програмируеми разделителни способности, спестявайки на дизайнерите проблемите да подменят енкодера всеки път, когато е необходима нова разделителна способност, което не само намалява инвентара, но също така опростява фината настройка на PID контролната верига и оптимизацията на системата.
Капацитивните енкодери позволяват цифрово подравняване и индексиране на настройките на импулса, когато се включва BLDC мотор, задача, която може да бъде повтаряща се и да отнема много време за оптичните енкодери.
Вградените диагностични възможности дават на дизайнерите допълнителен достъп до системни данни за оптимизиране на системата или отстраняване на неизправности на място.
Технически анализ на оптични, магнитни и капацитивни енкодери
Фигура 3: Сравнение на ключови показатели за ефективност за капацитивни, оптични и магнитни технологии (Снимка: CUI Devices)
5. Претеглете възможностите си
В много приложения за управление на движение температурата, вибрациите и замърсителите на околната среда са важни предизвикателства, с които енкодерите трябва да се справят. Оказва се, че капацитивните енкодери могат да преодолеят тези предизвикателства.
В сравнение с оптичните или магнитните технологии, той предоставя на дизайнерите надеждни, прецизни и гъвкави решения.
Освен това капацитивните енкодери добавят възможност за програмиране и диагностика, цифрова функция, която ги прави по-подходящи за съвременните приложения за интернет на нещата (IoT) и индустриалния интернет на нещата (IIoT).