Датчики положения: как выбрать подходящий энкодер

Все больше современных систем и оборудования работают на основе обратной связи от энкодеров. Такие датчики обеспечивают точное управление положением различных исполнительных устройств, преобразуя вращение в электрический сигнал. Рассмотрим основные сферы применения энкодеров, каких типов они бывают и как правильно выбрать подходящий датчик под задачу.

Содержание

• Что такое энкодер
• Области применения энкодеров
• Виды энкодеров, преимущества и недостатки каждого типа
• Как выбрать энкодер: основные критерии
• Заключение

Что такое энкодер

Энкодер — это устройство, преобразующее механическое перемещение в последовательность электрических сигналов, которые передают информацию о положении вращающегося вала. Само слово encoder заимствовано из английского языка и переводится как «кодировщик». Энкодеры широко применяются в системах автоматизации, позволяя контролировать и управлять положением различных объектов. Угловые энкодеры измеряют угол поворота объекта. В российской технической литературе такие устройства называются по-разному: преобразователь угловых перемещений, датчик угла поворота, датчик углового положения. Энкодеры работают на различных принципах и в зависимости от этого формируют на выходе аналоговый или цифровой сигнал.

Области применения энкодеров

Энкодеры применяются в самых разных сферах, охватывая множество отраслей промышленности, транспорта и даже бытовых автоматизированных систем. Они играют важную роль в автоматизации процессов, обеспечивая точное отслеживание положения объектов. Вот основные направления применения энкодеров:

• Автоматизация производств. Датчики положения используются на упаковочных и текстильных линиях, на производстве продуктов питания и напитков — там, где важно обеспечить точное перемещение деталей, материалов и продуктов.
• Промышленные роботы. В робототехнике преобразователи угловых перемещений обеспечивают точный контроль положения манипуляторов и движущихся элементов.
• Медицинская техника. В томографах, роботах-хирургах и других сложных медицинских устройствах энкодеры обеспечивают безопасное и точное управление движением.
• Строительная и карьерная техника. Датчики угла поворота используются на буровых станциях, карьерных самосвалах и передвижных кранах, в которых важно контролировать позиционирование в тяжелых условиях эксплуатации.
• Системы регулирования подачи жидкости и промышленные задвижки. Преобразователи применяют для управления водяными шлюзами, трубопроводными задвижками, воротами.
• Лифты и подъемники. В пассажирских, грузовых лифтах и специализированных подъемниках энкодеры помогают точно позиционировать кабину, обеспечивая безопасность и комфорт пассажиров.
• Хранение и перемещение грузов. В автоматизированных складах, портовых кранах, автопогрузчиках и багажных лентах датчики положения отвечают за перемещение товаров и грузов.
• Альтернативная энергетика. В ветряных генераторах и солнечных батареях энкодеры контролируют угол наклона и ориентацию, помогая оптимизировать выработку энергии.
• Станкостроение и модернизация оборудования. В универсальных станках и станках с ЧПУ, а также в сервомоторах преобразователи обеспечивают высокую точность перемещений.

Энкодеры стали незаменимыми во всех этих сферах благодаря своей универсальности и способности поддерживать автоматизацию и точный контроль процессов.

Виды энкодеров, преимущества и недостатки каждого типа

По типу

Инкрементальные (пошаговые) — энкодеры с простым принципом работы. Способны решить большинство поставленных задач. Диск со специальными прорезями во время вращения просвечивается оптическим датчиком. Последовательная смена цифровых сигналов отражает положение датчика относительно прорези. Инкрементальные энкодеры позволяют определить скорость и положение вала, только если не выключалось питание. При выключении питания значение положения теряется.  

Абсолютные — более совершенные энкодеры. Дают уникальный сигнал для каждого углового положения вала от 0 до 360°. Информацию о положении вала можно получить сразу, даже если выключалось питание. Нет необходимости поиска нулевой метки, как у инкрементального энкодера. Не нужно считать импульсы в контроллере.  

Абсолютные энкодеры предназначены для контроля сложнотехнического оборудования — например, когда требуется знать точную позицию объекта в заданное время. Подразделяются на 2 подвида:

• Однооборотные. Фиксируют положение в пределах одного полного оборота вала, после чего их значение обнуляется и начинается новый цикл. Подходят для задач, где достаточно отслеживать положение внутри одного оборота, например, в системах, где не происходит постоянного вращения или требуется контроль положения в ограниченном диапазоне.
• Многооборотные. Не только «запоминают» позицию в пределах оборота, но и знают, на каком по счету обороте находятся. Позволяют системе получать точные данные о позиции даже после многократного вращения при выключенном питании. Актуальны для сложных производственных процессов и робототехники, а также лифтов — положение кабины всегда известно.

С развитием технологий абсолютные энкодеры всё больше укрепляют свои позиции на рынке. Ранее их доля составляла 20-30% по сравнению с 70-80% у инкрементальных, но сейчас проценты сравнялись. Более того, в некоторых отраслях абсолютные энкодеры уже преобладают.

Сравнительная таблица

По принципу действия

Оптические энкодеры используют светодиод и фотодатчик для считывания положения. Внутри находится диск с прозрачными и непрозрачными секторами, который вращается вместе с валом. При прохождении светового луча через диск считывается положение или угол. Такие датчики обеспечивают высокую точность определения положения, но хрупки и чувствительны к пыли и экстремальным температурам.

Магнитные энкодеры используют магнитное поле для определения положения. В них применяется магнит, закрепленный на валу, и датчик Холла, который фиксирует его движение. Они прочны и менее чувствительны к агрессивным средам. Емкостные (фотоэлектрические) энкодеры используют принцип оценки изменений электрического поля, которые формируются при вращении кодового диска. Считывание происходит благодаря изменению емкости конденсаторов на неподвижной части энкодера и вращающихся дисках. Эти модели компактны и экономичны в энергопотреблении, но менее устойчивы к воздействию окружающей среды.

По конструкции вала (оси)

Энкодеры различаются конструкцией вала или оси, что позволяет адаптировать их для различных применений и условий установки:

• Со сквозным полым валом. Полый вал проходит через весь датчик, позволяя легко монтировать его на длинные оси. Это решение удобно для систем, где требуется простой монтаж без необходимости дополнительного крепления.
• С глухим полым валом (полым только с одной стороны). Такой полый вал имеет закрытый конец, а значит, не проходит насквозь. Он более устойчив к радиальным нагрузкам, подходит для применения в условиях повышенной вибрации или при необходимости компактной установки на ограниченной площади.
• С цельным валом (осью). Крепление корпуса выполняется за торцевой фланец, боковую фаску или гибкой муфтой.

Как выбрать энкодер: основные критерии

При выборе энкодера для конкретной задачи необходимо определиться с основными техническими характеристиками.

Разрешение

Разрешение — это число импульсов, которые устройство генерирует при одном полном обороте вала. Чем выше разрешение, тем выше точность измерений энкодеров. Параметр выражается в импульсах на оборот. Энкодеры бывают с разным уровнем разрешения:

• Низкое — применяется в системах, где высокая точность позиционирования не критична, например, в простых механизмах.
• Среднее — подходит для задач, требующих большей точности, например, для управления конвейерами или автоматическими дверями.
• Высокое — необходимо для высокоточных систем. Примеры применения моделей с высоким разрешением: ЧПУ-станки, робототехника.

Помните: при большом числе импульсов на оборот с повышением скорости вращения вала логическая часть датчика должна успевать выдавать импульсы. Иначе добиться необходимой точности будет невозможно. Если энкодер выдает необходимое количество импульсов в единицу времени, важно также оценить, успевает ли принимающее устройство их считывать и, соответственно, правильно измерять скорость? Принимающим устройством может быть частотный преобразователь или стойка ЧПУ, например. При подборе датчика учитывайте их максимальную входную частоту.

Напряжение питания

Напряжение питания датчика положения важно для совместимости с другими компонентами системы. Обычно энкодеры работают при напряжении 5 В, 12 В или 24 В, но могут быть и другие значения. При выборе необходимо учитывать требования к питанию устройства и возможности контроллера или источника питания.

Тип и диаметр вала

Тип и диаметр вала энкодера должны соответствовать механизму, с которым он будет работать. Валы могут быть полыми сквозными и глухими, цельными. Соответственно нужно учитывать диаметр осевого вала в мм или диаметр отверстия в мм под вал в случае полого вала.

Вид выхода, интерфейс

Энкодеры могут иметь различные виды выходных сигналов: цифровые или аналоговые. Цифровые сигналы могут быть как импульсными, так и последовательными. Важно выбрать подходящий вид выхода в зависимости от того, как данные будут передаваться и обрабатываться в системе. Наиболее распространенные варианты:

• SSI — синхронный последовательный интерфейс, передающий данные в цифровом формате с высокой точностью. Прямое подключение к контроллеру только одного энкодера. Высокая скорость передачи данных.
• BiSS-C — высокоскоростной двунаправленный интерфейс с возможностью передачи данных в реальном времени. Используется для подключения энкодеров к контроллерам в высокоточных системах, требующих минимальной задержки. Обладает высокой устойчивостью к помехам.
• RS422 и RS485 — обеспечивают устойчивую передачу данных на большие расстояния, до 1,2 км. RS422 предназначен для односторонней связи, тогда как RS485 поддерживает двустороннюю связь и может работать с несколькими устройствами.
• T485 — это расширение RS485 с улучшенными характеристиками, адаптированное для промышленных задач. Отличается устойчивостью к электромагнитным помехам и может поддерживать сети с несколькими устройствами.
• Bus и Period. Bus-интерфейсы применяются в сетях, где один или несколько энкодеров подключаются к общей шине. Периодический интерфейс (Period) используется для передачи данных с постоянным интервалом, что обеспечивает стабильность связи.
• TTL и HTL — интерфейсы с различными уровнями напряжения. TTL работает при низких напряжениях (обычно 5 В), чувствителен к помехам, поэтому эффективен на коротких дистанциях. HTL работает при более высоком напряжении (10–30 В), лучше подходит при больших расстояниях.
• Ethernet — позволяет подключать энкодеры к соответствующим сетям. Обеспечивает высокоскоростную передачу данных и возможность удаленного мониторинга.

Размеры

По габаритам энкодер должен вписаться в пространство, доступное для его установки. Проще всего подобрать подходящую модель в соответствии с требованиями технического задания на этапе разработки системы. Если датчик нужен на замену вышедшему из строя, то новую модель выбирают по уже имеющимся маркировочным данным.

Условия применения, уровень защиты

Важно определиться с типом применения энкодера: для внутренней установки или наружной. Для внутренней установки:

• Используются в помещениях, где нет значительного воздействия пыли и влаги, поэтому достаточно степени защиты IP40 или IP54. Такой уровень предполагает базовую защиту от пыли и брызг воды — подходит для стандартной производственной среды.
• Применяются в оборудовании, размещенном внутри закрытых объектов, например, в станках и робототехнических комплексах — там, где внешние воздействия минимальны.

Для внешней установки:

• Используются в условиях, где оборудование подвергается воздействиям пыли, влаги, дождя или перепадов температур, поэтому требуется уровень защиты не менее IP65. С этой задачей лучше всего справляются корпусированные энкодеры. Герметичная наружная оболочка защищает внутренние компоненты от агрессивной среды.
• Применяются на открытых площадках и в сложных условиях: в строительной технике, буровых установках, карьерных самосвалах и энергетическом оборудовании — там, где важно, чтобы датчики положения продолжали надежно работать независимо от погоды.

Особенности установки

При установке энкодера необходимо учитывать его ориентацию, способ крепления и требования к механической совместимости с оборудованием. Датчики соединяют с преобразователями частоты, которые обеспечивают питание электродвигателя. Подключают трех- или шестипроводной схемой. Энкодеры крепятся специальной муфтой к валу, параметры вращения которого нужно измерить. Получается прочное соединение деталей, расположенных на одной оси. Возможны и другие варианты крепления. Например, если нужно прикрепить датчик с полым валом. В таком случае вал входит внутрь преобразователя и фиксируется в полой втулке. Энкодер фиксируется не жестко — достаточно ограничителя, который будет предотвращать его вращение. При любой схеме подключения важно придерживаться рекомендаций производителя и обеспечить дополнительный источник питания на устройстве, которое принимает сигнал. Помните: не следует подключать высокоточные энкодеры к источникам, которые питают реле. Это вызовет помехи, и показания будут неточными.

Заключение

В штате ООО «ИнноДрайв» — специалисты с инженерным образованием, которые разбираются в ассортименте, характеристиках и особенностях работы энкодеров. Мы поставляем продукцию King Kong: абсолютные энкодеры с надежной конструкцией и высокой точностью работы. Оставьте заявку на сайте — быстро подберем подходящую модель в соответствии с вашей задачей.