Инкрементальный энкодер: повышение эффективности обучения нейросетей

Инкрементальные энкодеры являются наиболее распространенными датчиками обратной связи в современных системах автоматизации. В отличие от абсолютных, инкрементальные энкодеры выдают информацию об изменении положения относительно предыдущего состояния. Это позволяет использовать их для определения как текущего положения, так и скорости вращения объекта.

В статье подробно рассматриваются принцип работы, конструкция, основные параметры и сферы применения инкрементальных энкодеров. Особое внимание уделено использованию инкрементальных энкодеров в системах управления электроприводами, где они широко применяются в качестве датчиков обратной связи по положению и скорости.

Принцип работы инкрементального энкодера

Инкрементальный энкодер - это датчик угла поворота или линейного перемещения, который генерирует импульсы при вращении вала или оси. Ключевым элементом в конструкции инкрементального энкодера является диск с радиально расположенными штрихами или отверстиями. При вращении диска, датчики (обычно оптические или магнитные) регистрируют прохождение штрихов или отверстий и генерируют электрические импульсы. Таким образом, число импульсов пропорционально углу поворота вала энкодера.

• Оптические энкодеры используют источник света (светодиод) и фотоприемник, расположенные по разные стороны диска. При прохождении штрихов или отверстий, световой луч прерывается, и фотоприемник генерирует электрический импульс.
• В магнитных энкодерах в качестве датчиков используются эффект Холла или магниторезистивные элементы, реагирующие на изменение магнитного поля от штрихов на вращающемся диске.
• Емкостные энкодеры генерируют импульсы за счет изменения электрической емкости между пластинами при вращении специально спрофилированного диска.

Выходным сигналом инкрементального энкодера обычно являются два прямоугольных импульса (каналы A и B) со сдвигом по фазе на 90 градусов. Это позволяет определить направление вращения по опережению или запаздыванию одного сигнала относительно другого. Считая фронты обоих сигналов, можно увеличить разрешение энкодера в 4 раза.

Некоторые модели инкрементальных энкодеров имеют третий индексный выход, генерирующий один импульс на оборот. Это позволяет отсчитывать число оборотов и привязывать показания энкодера к реальному положению объекта.

Таким образом, инкрементальные энкодеры широко используются в системах управления электроприводами и робототехнике для определения угловых или линейных перемещений.

Конструкция и основные типы инкрементальных энкодеров

Конструктивно инкрементальные энкодеры состоят из неподвижной и вращающейся частей. Неподвижная часть включает корпус с размещенными в нем электронными компонентами, а вращающаяся представляет собой диск с нанесенными на него штрихами или отверстиями. В зависимости от используемого физического принципа работы, инкрементальные энкодеры делятся на несколько основных типов:

• - Оптические энкодеры, в которых для определения положения диска используется источник света и фотоприемник;
• - Магнитные энкодеры с магниточувствительными датчиками;
• - Емкостные энкодеры, работающие за счет изменения электрической емкости между обкладками конденсатора;
• - Индуктивные энкодеры на основе эффекта вихревых токов.

Рассмотрим более подробно устройство и принцип работы перечисленных типов инкрементальных энкодеров.

Оптические инкрементальные энкодеры

Оптические энкодеры используют источник света (чаще всего инфракрасный светодиод) и фотоприемник, расположенные по разные стороны вращающегося кодового диска. Диск выполнен из прозрачного материала и имеет по окружности радиально расположенные штрихи или прорези, чередующиеся с прозрачными участками.

При вращении диска, световой луч, проходящий через прозрачные участки, прерывается непрозрачными штрихами или отверстиями. Фотоприемник преобразует модуляцию светового потока в электрические импульсы. Таким образом, число импульсов прямо пропорционально углу поворота вала энкодера.

Магнитные инкрементальные энкодеры

В магнитных энкодерах для определения угловых перемещений используются магниточувствительные датчики. В качестве таких датчиков чаще всего применяют датчики Холла и магниторезисторы.

При вращении намагниченного кодового диска с радиально расположенными S- и N-полюсами, датчики фиксируют изменение магнитного поля и вырабатывают электрические импульсы. Поскольку датчики реагируют именно на изменение магнитного поля, штрихи S- и N-полюсов чередуются с нейтральной зоной без намагничивания.

Емкостные инкрементальные энкодеры

В основу работы емкостных энкодеров положен принцип изменения электрической емкости конденсатора при вращении ротора с эксцентрично расположенными по окружности электродами.

Обкладки конденсатора размещаются в неподвижной и вращающейся частях энкодера. При повороте ротора расстояние между обкладками изменяется, что приводит к изменению емкости конденсатора. Это изменение фиксируется электронной схемой энкодера и преобразуется в последовательность электрических импульсов.

Емкостные энкодеры обладают высоким разрешением, компактностью и устойчивостью к агрессивным средам и вибрациям. Однако они более сложны в изготовлении по сравнению с оптическими и магнитными.

Основные параметры и характеристики инкрементальных энкодеров

При выборе инкрементального энкодера для конкретных применений необходимо обращать внимание на следующие основные параметры и характеристики:

• - Разрешение - количество импульсов на оборот вала энкодера. Определяет точность измерения угловых перемещений;
• - Диапазон рабочих температур и степень защиты корпуса от внешних воздействий;
• - Максимально допустимая частота вращения вала;
• - Наличие и тип электрических интерфейсов (тип выхода, напряжение питания, выходные сигналы);
• - Габаритные размеры и тип крепления.

Ключевой характеристикой любого инкрементального энкодера является его разрешающая способность, определяемая числом импульсов на оборот вращаемого вала.

Стандартное разрешение составляет от 100 до 2500 имп/об, однако современные высокоточные оптические и магнитные энкодеры могут иметь разрешение 10000 имп/об и выше. Чем выше разрешение энкодера, тем выше точность определения угловых перемещений объекта.

Еще одним важным параметром является максимальная частота вращения входного вала энкодера. Для высокоскоростных применений используют оптические энкодеры с предельной частотой вращения порядка 100000 об/мин.

По типу электрического интерфейса инкрементальные энкодеры делятся на модели с открытым коллекторным, линейным драйверным или дифференциальным line-driver выходом.

Линейные драйверы обеспечивают высокую помехоустойчивость, что важно при использовании энкодеров в условиях сильных электромагнитных полей, например, на производстве.

По исполнению корпуса различают инкрементальные энкодеры со стандартной, повышенной и взрывозащищенной степенью защиты IP65/IP67/IP69K.

Также существуют миниатюрные энкодеры диаметром 6-15 мм для применения в ограниченном пространстве различных механизмов и робототехнических комплексов.

Области применения инкрементальных энкодеров

Инкрементальные энкодеры широко применяются в самых разных областях, где необходим точный контроль или управление угловыми или линейными перемещениями различных механизмов и устройств. Рассмотрим основные сферы использования этих датчиков.

Электроприводы и робототехника

Инкрементальные энкодеры являются одними из основных компонентов систем управления электроприводами. Устанавливая такие датчики на валы двигателей, можно точно контролировать угловую скорость и положение ротора на всех этапах разгона, торможения и реверса.

Также энкодеры широко используются в составе различных робототехнических систем для обратной связи сервоприводов, управляющих перемещением звеньев манипуляторов или ходовыми системами мобильных роботов.

Металлообрабатывающее оборудование

В металлообрабатывающем оборудовании, таком как токарные, сверлильные, фрезерные станки, инкрементальные энкодеры используются для высокоточного позиционирования инструмента и заготовки. Например, на токарных станках с ЧПУ энкодеры устанавливают на шпиндель, пиноль токарного патрона или суппорт.

Энкодеры позволяют контролировать подачу инструмента, координаты режущей кромки, углы поворота заготовки и другие параметры обработки с высочайшей точностью в доли микрона.

Полиграфическое оборудование

В полиграфическом оборудовании, таком как принтеры, копировальные аппараты, сканеры и других устройствах печати, энкодеры применяются для точного позиционирования печатающих головок, подач бумаги, вращения барабанов и валов.

Например, в струйных и лазерных принтерах оптические инкрементальные энкодеры управляют перемещением каретки с печатающими головками вдоль оси X, а также подачей бумаги по оси Y. Высокоточные энкодеры используются и в профессиональных фотопринтерах.

Медицинская техника

В медицинском оборудовании для томографии, ультразвуковой диагностики, лучевой терапии широко применяются высокоточные оптические энкодеры для сканирования объекта и точного позиционирования датчиков или излучателей.

Также инкрементальные энкодеры используются в анализаторах, микроскопах, хирургических столах и креслах для управления перемещением оптических узлов, манипуляторов и позиционирования пациента.

Измерительное оборудование

В высокоточном измерительном и аналитическом оборудовании энкодеры применяются для точного сканирования исследуемых образцов, например в электронных и оптических микроскопах, дефектоскопах, профилометрах.

Также инкрементальные датчики используются в спектрометрах для вращения дифракционных решеток, в хроматографах и газоанализаторах - для перемещения проб и датчиков.

Другие области применения

Помимо перечисленных выше, инкрементальные энкодеры широко используются в оптико-механических приборах и системах технического зрения для высокоточного позиционирования объективов, в устройствах навигации и отслеживания положения, в измерительных комплексах для мониторинга линейных и угловых перемещений различных объектов.

Универсальность инкрементальных датчиков, их технические характеристики и относительно невысокая стоимость обуславливают широчайшее применение этих энкодеров во многих областях науки, техники и промышленности.

Инкрементальные энкодеры в системах управления электроприводами

Инкрементальные энкодеры являются важным элементом различных систем управления электроприводов как на базе микроконтроллеров, ПЛК или релейной автоматики, так и специальных частотных преобразователей и приводных контроллеров. Рассмотрим особенности применения этих датчиков в системах управления электроприводами.

Задачи применения энкодеров в электроприводе

Основными типовыми задачами, решаемыми при помощи инкрементальных энкодеров в составе системы управления электроприводом, являются:

1. Контроль и регулирование скорости вращения вала двигателя в реальном времени;
2. Разгон и торможение с заданной динамикой и ограничением рывка;
3. Точное поддержание заданного положения исполнительного механизма в системах позиционирования;
4. Контроль координат рабочего органа механизма.

Также сигналы энкодера могут использоваться для диагностики неисправностей, обрыва ремня или перегрузки механизма по реакции на управляющие воздействия.

Схемы подключения энкодеров к электроприводу

В простых системах достаточно одноканальной схемы подключения энкодера к микроконтроллеру или ПЛК при помощи быстродействующего счетчика импульсов. Однако чаще используется двухканальная схема, использующая оба выходных сигнала энкодера с квадратурным сдвигом.

В современных векторных приводах инкрементальный энкодер подключается непосредственно к специализированным входам преобразователя частоты, который сам обрабатывает сигнал для управления двигателем в реальном времени.

Помимо этого, энкодер может быть интегрирован непосредственно в конструкцию двигателя, образуя единое устройство - энкодерный электродвигатель. Такое решение упрощает монтаж, повышает надежность и точность системы.

Выбор инкрементального энкодера для конкретных применений

При выборе инкрементального энкодера для использования в составе той или иной системы управления движением необходимо учитывать ряд важных факторов и требований:

1. Разрешение датчика должно соответствовать требуемой точности системы. Для высокоточного позиционирования может потребоваться энкодер с разрешением 10 000 имп/об и выше.
2. Максимальная скорость вращения энкодера должна быть выше, чем у приводного двигателя во всем диапазоне регулирования.
3. Необходимо учитывать условия эксплуатации (вибрация, удары, агрессивные среды, широкий температурный диапазон) при выборе типа энкодера и степени защиты корпуса.
4. Тип выходного интерфейса энкодера (напряжение питания, выходные сигналы) должен соответствовать техническим характеристикам используемого контроллера или привода.

Помимо перечисленных выше параметров, при выборе конкретной модели инкрементального энкодера необходимо обращать внимание на такие характеристики, как:

• - допустимые осевые и радиальные нагрузки на вал энкодера;
• - тип выхода (NPN / PNP / Push-pull / Line driver);
• - наличие защиты от переполюсовки и превышения питающего напряжения;
• - диапазон рабочих температур и степень защиты корпуса;
• - габаритные размеры и способ крепления энкодера.

Кроме того, на выбор конкретной модели влияют требования надежности и стоимости решения. Для ответственных применений лучше отдать предпочтение проверенным производителям, даже если их энкодеры дороже аналогов.

Перспективы развития инкрементальных энкодеров

Несмотря на кажущуюся зрелость и относительную простоту конструкции, инкрементальные энкодеры обладают существенным потенциалом технологического развития и расширения функциональности.

Уже сейчас активно ведутся работы по созданию высокоточных инкрементальных энкодеров на новых физических принципах, разработке многофункциональных моделей, интеграции с системами передачи данных и усовершенствованию электронных схем обработки сигналов.

Повышение точностных характеристик

Одно из основных направлений совершенствования инкрементальных энкодеров - это повышение их разрешающей способности до 100 000 - 360 000 импульсов на оборот и выше.

Такого уровня точности удается достичь благодаря применению высококачественных подшипников, использованию шаговых двигателей в конструкции для повышения качества деления, усовершенствованию оптоэлектронных схем регистрации сигнала.

Новые физические принципы работы

Еще одно актуальное направление развития инкрементальных энкодеров - реализация на качественно новых физических принципах, альтернативных оптическим, магнитным или емкостным.

К таким перспективным технологиям можно отнести, например, энкодеры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), где информация о положении кодируется в радиочастотном сигнале.

Подобные датчики отличаются высочайшей точностью и долговечностью, так как не имеют трущихся элементов. Кроме того разрабатываются лазерные бесконтактные, а также волоконно-оптические энкодеры для экстремальных условий эксплуатации.

Многофункциональность и интеграция

Следующий тренд в развитии энкодеров - повышение интеллектуальности и интеграции дополнительных модулей в одном устройстве. Это позволяет решать в одном приборе сразу несколько задач:

• - высокоточный контроль положения и скорости;
• - измерение температуры, вибрации, осевых и радиальных нагрузок;
• - обработка и передача данных по цифровым интерфейсам.
• - встроенная диагностика работоспособности и контроль износа узлов.

Такие «интеллектуальные» энкодеры могут не только передавать больший объем данных о работе механизма, но и частично их обрабатывать, формируя сигналы предупреждения о возможных неисправностях оборудования до наступления критического отказа.