Explicació dels codificadors: principis, tipus i aplicacions industrials

Visió general del codificador

Un codificador és un dispositiu electromecànic muntat en un eix del motor que rastreja i retroalimenta la velocitat i la posició del motor emetent polsos digitals. El seu principi de funcionament bàsic és el següent: comptant els polsos generats pel codificador, el sistema pot calcular el desplaçament de la posició actual del motor en relació amb l'última posició coneguda, verificant així si el motor ha arribat amb precisió a la posició objectiu.

L'estructura bàsica d'un codificador consta d'una font de llum, un disc (disc de codi) amb ranures gravades al llarg de la seva vora i un receptor de llum. Quan el disc de codi gira juntament amb l'eix del motor, les ranures tallen la font de llum estàtica contínua en una sèrie de flaixos. El receptor de llum detecta aquests canvis entre la llum i la foscor i els converteix en senyals de pols d'ona quadrada-digital, que després s'envien al controlador principal. Si la resolució del codificador coincideix amb la resolució de pas del motor, el codificador generarà un pols corresponent per a cada pas del moviment del motor.

I. Codificadors incrementals

1. Principi de funcionament i senyals de sortida

Un codificador incremental funciona generant una sèrie de polsos durant el moviment. El seu disc de codi té ranures distribuïdes uniformement. Quan l'eix gira, una captació fotoelèctrica fixa detecta els canvis en la llum transmesa i emet una seqüència de polsos contínua. Un codificador incremental estàndard normalment proporciona dos senyals d'ona-quadrada amb una diferència de fase de 90 graus (canal A i canal B), coneguts com a "senyals de quadratura". La relació de fase entre aquests dos senyals s'utilitza per determinar amb precisió la direcció de gir.

2. Relativitat de la informació de la posició i el problema de pèrdua-apagada

Sortides d'un codificador incrementaldesplaçament relatiuinformació en lloc de la posició absoluta. Després d'encendre el sistema, el codificador comença a comptar i emetre polsos, i un comptador o controlador extern acumula aquests polsos per calcular la posició actual. Tanmateix, un cop es perd l'energia, la sortida de pols s'atura i si el valor de recompte emmagatzemat externament no té energia de reserva, es perdrà. Després de restablir l'alimentació, el codificador no pot saber automàticament la posició actual de l'eix i el valor de recompte començarà de nou des de zero.

3. Necessitat d'homing (tornar a la referència)

A causa de les característiques anteriors, els sistemes que utilitzen codificadors incrementals han de realitzar una operació de "homing" cada vegada que s'engeguen o es reinicien després d'una fallada de corrent. Aquesta operació normalment fa moure el motor fins que s'activa un punt de referència físic predefinit, com ara un interruptor de límit, un interruptor magnètic o el pols d'índex de fase Z-al disc del codificador. Un cop trobat aquest punt, el sistema reinicia o estableix el comptador de posició a un valor conegut, que després serveix com a referència absoluta per a tot el moviment posterior.

4. Avantatges, desavantatges i aplicacions

Avantatges:Estructura relativament senzilla, baix cost i alta fiabilitat.
Inconvenients:La informació de posició es perd després de l'apagat-i depèn de l'operació d'homing; la capacitat anti-interferència és relativament feble i els polsos de soroll es poden comptar per error a la posició.
Solució:Per a les aplicacions que requereixen la retenció de la posició després de l'apagat-, es pot utilitzar una bateria de reserva per subministrar energia al comptador o a la unitat d'emmagatzematge.

II. Codificadors absoluts

1. Principi bàsic: codificació de posició absoluta única

La característica fonamental d'un codificador absolut és que a cada posició mecànica del seu disc de codi se li assigna acodi digital únic. Això s'aconsegueix generalment mitjançant la fabricació de múltiples pistes de codi concèntric al disc (cada pista representa un bit binari) i utilitzant múltiples sensors fotoelèctrics independents. Per tant, fins i tot quan està estacionat o apagat, el senyal de sortida correspon directament a la posició angular absoluta de l'eix.

2. Retenció de la posició després de l'apagat-i la disponibilitat instantània a l'encesa-

Com que la informació de la posició està determinada de manera única pel patró físic del disc de codi, un codificador absolut no perd la posició després d'apagar-se-. Quan el sistema es torna a engegar, el controlador pot llegir immediatament el codi de posició absoluta actual sense realitzar cap operació d'homing, aconseguint "encesa-i llest-per-utilitzar", cosa que millora molt l'eficiència i la seguretat de l'inici.

3. Tipus de-girs simples i de-girs múltiples

Codificadors absoluts{0}}d'un sol tornproporcionen un valor de posició únic dins d'una rotació de 360 ​​graus i són adequats per a aplicacions on el rang de recorregut és inferior a una revolució.
Codificadors absoluts multi-turnsno només proporciona un valor únic dins d'una revolució, sinó que també registra el nombre de revolucions mitjançant una caixa de canvis interna o un mecanisme de recompte electrònic. Poden proporcionar una posició absoluta global durant diversos girs (per exemple, fins a 4096 girs) i són adequats per a aplicacions de posicionament de llarg-desplaçament.

4. Senyals i avantatges

Codi de sortida:S'utilitza habitualment el codi gris, en el qual només un bit canvia entre posicions adjacents, evitant eficaçment els errors de lectura.
Capacitat anti-interferències:La posició està determinada per la lectura instantània del patró del disc de codi, de manera que no s'acumulen polsos ocasionals de soroll elèctric, donant lloc a una forta immunitat al soroll.
Alta seguretat i flexibilitat:La posició es pot verificar immediatament a l'encesa-, evitant els riscos causats per començar des d'una posició desconeguda; qualsevol punt es pot utilitzar com a referència programable, fent que el disseny del sistema sigui més flexible.

III. Codificadors absoluts mecànics (tipus magnètic)

Es tracta d'un nou tipus de solució de detecció de posició absoluta basada en principis de detecció magnètica, que combina la memòria d'apagat-amb una alta tolerància ambiental.

1. Principi de detecció de posició d'un sol -turn

El seu nucli consisteix en un imant compost especial muntat al centre de l'eix del motor (amb magnetització bipolar al centre i magnetització multipolar a la perifèria) i els corresponents sensors magnetoresistius. El sensor llegeix eldirecciódel camp magnètic central per obtenir un angle absolut gruixut (per exemple, resolt a 180 graus) i alhora detecta elcanvis de fasedel camp magnètic perifèric d'alta-densitat per obtenir una subdivisió angular d'alta-resolució. Combinant els dos, es pot calcular la posició absoluta precisa d'un sol-gir.

2. Principi de detecció de posició multi-gir

Per aconseguir una detecció de posició absoluta de múltiples -girs, el sistema introdueix un tren d'engranatges de precisió. L'engranatge principal està muntat a l'eix del motor i va seguit d'una sèrie d'engranatges reductors amb relacions de dents específiques. Cada engranatge està equipat amb el seu propi imant i sensor.

Principi de funcionament:Quan l'eix del motor gira, cada engranatge gira a una velocitat diferent. Els imants d'aquests engranatges generen una combinació única dediferències de faserelacionades amb les seves posicions. El sistema detecta la fase de flux magnètic de cada engranatge i, mitjançant la descodificació d'aquest conjunt de diferències de fase, pot determinar de manera única la posició mecànica absoluta de l'eix del motor en un rang de fins a diversos milers de voltes.
Característiques del disseny:Els recomptes de dents de l'engranatge estan dissenyats especialment perquè la combinació de diferència de fase només es repeteixi després d'arribar al nombre màxim de voltes detectables (per exemple, 1800 voltes), garantint així la singularitat del codi de posició. Els engranatges s'utilitzen només per a la detecció i no porten cap càrrega elèctrica. Estan fets de materials de resina autolubricant, que garanteixen una llarga vida útil.

3. Avantatges bàsics i escenaris d'aplicació

Sense bateria, memòria permanent:La informació de la posició està determinada per les posicions físiques dels engranatges mecànics i els patrons d'imants, i mai es perd fins i tot després d'una pèrdua total de potència.
Alta tolerància ambiental:Sense components òptics de precisió i un disseny de detecció magnètica totalment tancada, ofereix una resistència molt millor a la pols, la contaminació d'oli, la condensació, la vibració i certs xocs de temperatura que els codificadors òptics.
Equilibri entre cost i fiabilitat:Tot i que és possible que la resolució no coincideixi amb la dels codificadors òptics de-nivell superior, la seva estructura robusta, l'alta fiabilitat i el disseny lliure de-bateria-sense manteniment el converteixen en una opció ideal per a aplicacions industrials que exigeixen durabilitat, seguretat i l'eliminació del manteniment de la bateria.

IV. Resum i referència de selecció

Conclusió

Per a motors pas a pas de-bucle obert o servosistemes estàndard,codificadors incrementalssegueixen sent l'opció principal a causa de la seva elevada rendibilitat{0}}de cost. A les aplicacions que requereixen "encesa-i llesta-per-utilitzar", alta seguretat o funcions de posicionament complexes,codificadors absolutssón indispensables. Entre les solucions absolutes,codificadors absoluts mecànicsproporcionar als enginyers una alternativa potent que pot simplificar el disseny del sistema i millorar la fiabilitat-a llarg termini, gràcies al seubateria-memòria permanent lliureiexcel·lent durabilitat industrial.