Угловые энкодеры

Угловой энкодер, также часто называемый датчиком угла поворота, используется для определения угла поворота вращающегося объекта, его преобразования в аналоговые или цифровые сигналы. Также энкодеры помогают определять скорость и направление вращения. Такая техника активно используется во многих сферах человеческой деятельности. В частности, энкодеры устанавливаются в сервоприводах, для обеспечения обратной связи.  Зная, сколько оборотов сделал вал электродвигателя, контроллер определяет, где находится рабочий орган станка в выстроенной ПЛК системе координат. 

Кроме того, поворотные энкодеры широко используются и в других сферах человеческой деятельности. Так, в автомобилях они помогают отслеживать угол поворота руля. Применяются энкодеры при создании компьютерной техники, в судостроении, в конструкции кроватей для аппаратов МРТ, а также в целом ряде других направлений человеческой деятельности.  Столь широкое применение привело к появлению на рынке огромного числа различных энкодеров угла поворота, работающие по разным принципам. Они отличаются размерами, конструкцией, корпусами с различной степенью защищенности от внешних воздействий. Выбор энкодера осуществляется в зависимости от того, для каких целей он будет использоваться.

Классификация и принцип действия энкодеров

Самым популярным вариантом энкодеров, используемых в промышленности, являются оптические модели. Схематически их конструкцию можно представить следующим образом. На вал двигателя или другую вращающуюся деталь надевают диск с прозрачными метками, через которые проходит направленный световой поток (чаще всего — инфракрасный). Он улавливается датчиком со светочувствительной матрицей, который и преобразует луч света в аналоговые или цифровые сигналы. Это — простейшая схема работы энкодера. На практике ее могут усложнять, например — установив не один, а два датчика со смещением в полшага, что заметно увеличивает точность измерений, снижает количество ошибок, позволяет определять не только количество оборотов, но и направление вращения. 

Описанные устройства относятся к категории инкрементных угловых энкодеров, подсчитывающих количество импульсов. Они достаточно просты конструктивно, недороги в производстве, поэтому применяются очень часто, однако есть у таких конструкций и недостатки. Так, для правильного определения угла отклонения вала необходим постоянный подсчет количества импульсов, осуществляемый контроллером или специальным счетчиком. Если устройство оказывается отрезанным от источника питания — инкрементный угловой энкодер не сможет сразу определить свое положение в пространстве после переподключения — ему потребуется пройти через специальную “Ноль-точку”. Кроме того, большинство таких угловых датчиков лишены функции фиксации пропущенных символов, из-за чего возрастает вероятность возникновения ошибок и неточностей при проведении измерений.

Подобных проблем лишены абсолютные угловые энкодеры. В них диск разбит на сектора, каждый из которых имеет свой уникальный код. Благодаря этому устройство может определить фактический угол отклонения вала от базового сразу после включения, без использования нулевой метки. Однако базовые абсолютные энкодеры на двоичном коде подвержены ошибке граничных положений. Если в системе одновременно изменяется более чем один бит — датчик на какое-то время выдает некорректное значение, из-за чего контроллер, управляющий работой установки, резко изменит направление и скорость вращения вала, стараясь компенсировать ошибку. Из-за этого сейчас активно используются усовершенствованные абсолютные энкодеры на кодах Грея, в которых изменение более чем одного бита невозможно. 

Оптическая схема — самая популярная, однако существуют и другие типы энкодеров:

1. Механические устройства работают за счет замыкания и размыкания нескольких групп подпружиненных контактов. Это происходит в определенной последовательности, что позволяет определить даже направление вращения. 
2. Магнитные энкодеры используют в качестве основного элемента магнит, вращающийся вместе с валом. При этом происходят колебания магнитного поля, которое и фиксируется с помощью датчика Холла. 
3. Индуктивные энкодеры. По сути представляют собой трансформаторы, в которых индукция между обмотками изменяется в зависимости от угла отклонения вала.

Особенности выбора энкодеров

Главный параметр, на который нужно обращать внимание — это разрешение энкодера, показывающее количество бит или импульсов, фиксируемых датчиком за один полный оборот. Также нужно учитывать и ряд других факторов.

Среди них:

• параметры питания;
• особенности вала, на который энкодер будет установлен;
• возможность подключения датчика к имеющемуся контроллеру, совместимость выходов;
• размеры энкодера угла поворота;
• защищенность от внешних факторов;
• методы монтажа.  

При учете всех этих факторов энкодеры обеспечат высокую точность измерений и качественную обратную связь.