¿Cuál es el principio del codificador rotatorio? ¿Cuál es la diferencia entre codificadores incrementales y absolutos?
A continuación, profundicemos en ello, incluyendo principalmente lo siguiente:
1. ¿Cuál es el principio de funcionamiento del codificador rotatorio incremental?
2. ¿Cuál es el principio de funcionamiento del codificador rotatorio absoluto?
3. ¿Cuál es la diferencia entre codificadores rotativos incrementales y absolutos?
4. ¿Cuál es la diferencia entre un codificador absoluto de una sola vuelta y un codificador absoluto de varias vueltas?
5. ¿Cuáles son los tres factores más importantes a considerar al elegir un codificador?
6. Ejemplos de aplicación práctica de codificadores.
1. Lo que pasa con la culata del motor
Como diseñadores mecánicos, prestamos gran atención al par y al tamaño del motor al elegir un motor, porque esto determina directamente si el motor se puede mover según lo especificado. Cómo arrastrar la carga y si se puede organizar bien en un espacio limitado.
Pero en el diseño de maquinaria de precisión, en realidad hay otro parámetro que es tan importante como el par y el tamaño: la resolución.
Hablando de resolución, muchas veces podemos ver un conjunto de datos en los parámetros del motor, como por ejemplo 2000 metros/revolución = 2000 pulsos/ciclo, 17bit/33bit.
Todos los amigos que saben algo sobre motores giratorios saben que es 2000C/T de hecho, este motor tiene un codificador incremental. Una revolución corresponde a 2000 pulsos, por lo que la resolución del codificador es 360. /2000=0,18 grados.
Debido a que el codificador relativo generalmente puede realizar una multiplicación de frecuencia 4 veces (explicaré por qué más adelante), la resolución de 2000C/T puede ser 0,18/4 = 0,045 grados.
17 bits/33 bits significa que el motor tiene un codificador absoluto multivuelta de 17 bits.
Entonces la pregunta es, ¿cuál es la diferencia en principio entre codificadores absolutos y codificadores incrementales? ¿Cuál es la diferencia en la aplicación? ¿Por qué los codificadores absolutos expresan la resolución en binario? ¿Cuál es la diferencia entre encoders absolutos de una vuelta y de varias vueltas?
Creo que si entendemos estas cuestiones, no seremos tan vagos como en el pasado sobre el motor o dónde se necesita un codificador rotatorio, sino que elegiremos claramente el codificador apropiado.
Este es también el propósito de aclarar los conceptos básicos de los codificadores en esta ocasión.
2. Tipos, ventajas y desventajas de los codificadores rotativos
Suele existir en el mercado tres tipos de codificadores: codificadores ópticos, codificadores magnéticos y codificadores capacitivos.
En un codificador óptico, el cable negro bloquea la luz; la ventana transparente permite que la luz pase (o se refleje) en la rueda de códigos para llegar al sensor. El sensor genera un nivel alto cuando recibe luz y un nivel bajo cuando la luz está bloqueada.
Dentro de un codificador magnético, hay una serie de imanes giratorios con polos magnéticos alternos, y un sensor que detecta la posición del campo magnético.
Dentro del codificador capacitivo, hay un transmisor que emite una señal de alta frecuencia, un rotor que modula la señal y un receptor que convierte la señal y la envía al controlador de movimiento.
Los codificadores ópticos son los más utilizados y precisos, pero también los más caros.
Los codificadores ópticos son más susceptibles a las influencias ambientales que los codificadores magnéticos y capacitivos. Por ejemplo, si se utiliza un codificador óptico a bajas temperaturas, se puede formar niebla de condensación en el codificador óptico si la temperatura ambiente aumenta bruscamente, lo que hará que la señal sea ilegible o distorsionada.
Los codificadores magnéticos son menos susceptibles a las influencias ambientales, pero debido a su no linealidad natural, los codificadores magnéticos no son tan precisos como los codificadores ópticos. Normalmente se utilizan en entornos donde el polvo, el vapor, la vibración y otras condiciones pueden interferir con el rendimiento del codificador óptico.
Al mismo tiempo, los codificadores magnéticos también pueden funcionar en diversos entornos líquidos y el consumo de energía de los codificadores magnéticos es menor que el de los codificadores ópticos.
Los codificadores capacitivos son algo relativamente nuevo en el campo de la automatización industrial. Este codificador es tan resistente al medio ambiente como un codificador magnético, pero no puede alcanzar la alta resolución y precisión de un codificador óptico.
3. ¿Cuál es el principio de funcionamiento del codificador rotatorio incremental?
Para entender la diferencia entre codificadores incrementales y absolutos, primero hay que entender cómo funcionan, ¿verdad?
¿Cómo funciona un codificador incremental?
Aquí tomamos como ejemplo el codificador óptico más utilizado.
Pon una foto primero.
Como se muestra arriba, el sistema incluye una rueda de códigos, una fuente de luz LED en un lado de la rueda de códigos y un chip fotodetector en el otro lado.
La rueda de códigos tiene una serie de marcas negras y una ventana transparente. Los marcadores negros son opacos, las ventanas son transparentes.
Después de que la luz LED pasa a través de la lente, forma una luz paralela y golpea el disco de código. La luz se bloquea en la línea negra grabada, pero pasa a través de la placa de código en la ventana transparente y llega al área de detección del sensor que se encuentra debajo.
Hay dos áreas en el sensor que pueden detectar señales, una es el área del sensor de indexación, que es el área de detección de cero inicial, y la otra es el área de detección de cambio de señal de posición, área del sensor A/B.
La inducción cero también se llama hogar, y algunos lugares también se llaman cero. La señal generada por su detección se llama señal Z.
No todos los codificadores incrementales tienen un punto cero de referencia. Por ejemplo, algunas aplicaciones en cintas transportadoras no lo necesitan. Algunos codificadores incrementales tienen múltiples puntos cero de referencia. Aquellos que estén interesados pueden descubrirlo por sí mismos.
La luz LED pasa a través de la ventana de la placa de código y se transmite al área de detección del sensor en el otro lado. A medida que la rueda de códigos gira, los sensores fijos pueden leer este patrón de luz alterno y luego informar la información de posición al sistema mecánico.
La forma de onda generada por el sensor es como se muestra a continuación. Es una onda cuadrada repetitiva (algunos codificadores emiten ondas sinusoidales u ondas coseno. El nivel alto y el nivel bajo ocupan el mismo tiempo porque el opaco se raya). la rueda de código El ángulo entre la línea y la ventana transparente es el mismo. Una línea negra y un área de sector transparente forman un ciclo, correspondiente a un nivel bajo y un nivel alto en el diagrama de forma de onda, es decir, una electricidad de 360 grados. ciclo.
¿Por qué hay dos canales, a y b, en el gráfico de forma de onda? ¿Para qué es esto?
Ten cuidado, habrás notado en la imagen de arriba que el área del sensor A/B es la causa de las señales de dos canales.
¿Cómo explicarlo? Obtengamos una imagen detallada.
Como se puede ver en la figura anterior, el sensor fotoeléctrico A y el sensor B no están en la misma dirección del radio, pero tienen una desalineación angular. Esta desalineación angular es exactamente la mitad del ángulo ocupado por una línea de trazado. , es decir, 1/4 de ciclos físicos.
Sabemos que si solo hay un sensor A, el sensor A comenzará a contar cuando se active la posición cero. Cada vez que pasa por una línea negra y una línea transparente, la forma de onda formará un nivel bajo y un nivel alto, que es un ciclo, pero no conoce la dirección de rotación de la rueda de códigos, que puede ser en sentido contrario a las agujas del reloj o en el sentido de las agujas del reloj.
Entonces, el propósito del sensor B es obvio: cooperar con el sensor A para determinar la dirección de rotación del disco de código.
Debido a que A y B están desalineados por 1/4 de período físico (es decir, 90 grados de diferencia, por eso también se le llama pulso en cuadratura, en inglés es Quadrature, de donde escuchamos muchas veces A-Quad- B), por lo que la luz A través de la ventana transparente, incide sucesivamente en los sensores A y B, formando una diferencia de 1/4 de período.
Por ejemplo, si gira en el sentido de las agujas del reloj, A adelanta a B un cuarto de período, luego gira en el sentido contrario a las agujas del reloj, A debe retrasarse un cuarto de período. Por lo tanto, la dirección de rotación se puede juzgar en función de si A está antes de B o después de B...
Bien, hasta ahora, entendemos el principio de funcionamiento del codificador incremental: encontrar la posición cero a través del índice, y el número de pulsos se utiliza para calcular el ángulo de rotación, la dirección de rotación se juzga por el retraso relativo del canal AB y la velocidad se juzga por el tiempo ocupado por la forma de onda o la frecuencia de pulso de la onda.
Piénselo de nuevo, los canales AB están separados por 1/4 de período. ¿Para qué más se puede utilizar?
Como habrás adivinado, es cuatro veces la resolución que te comentaba al principio.
¿Cómo implementarlo?
Mira el gráfico de forma de onda.
Aquí se muestra un ejemplo de una rueda de código de 100 ciclos físicos por revolución.
Multiplicar por
2 veces de pulso.
X4 por 4: Si contamos cada flanco ascendente y descendente para el canal A y el canal B, obtenemos 4 pulsos por ciclo físico, para un total de 400 pulsos por revolución.
Debido a que las marcas físicas del codificador incremental están en el mismo ángulo, el ángulo de rotación se calcula esencialmente contando el número de pulsos.
En un mismo ciclo, el número de pulsos por ciclo obtenidos mediante diferentes métodos de multiplicación de frecuencia es diferente. Evidentemente, la resolución que se obtiene cuadriplicando la frecuencia es la más alta.
Este es el principio de multiplicación de frecuencias con una resolución de 4.
Entonces la resolución de 2000C/T puede ser 0,18/4 = 0,045 grados.
Pero lo que hay que entender es que esta multiplicación de 4 veces no cambia el ángulo entre las líneas físicas del disco de código, solo cambia el número de pulsos eléctricos. Esta multiplicación generalmente se realiza en el. Controlador o Se realiza en el contador, por lo que la calidad de la señal es buena y confiable.
¿Qué debo hacer si quiero obtener una resolución más alta sin cambiar el codificador?
Puedes utilizar la interpolación, es decir, la interpolación de señales.
Mapa de interpolación, incluidas las ubicaciones donde se realiza la interpolación.
¿Qué significa interpolación? No lo entiendo del todo, pero en matemáticas, la interpolación consiste en predecir datos desconocidos a partir de datos conocidos.
En aplicaciones de codificador, dado que la posición real puede estar entre la retícula negra y la ventana transparente, los valores de estas posiciones se pueden obtener mediante interpolación, obteniendo así mayor resolución.
En teoría, la interpolación puede lograr una resolución infinita, pero una interpolación demasiado alta también traerá nuevos problemas. Por ejemplo, la señal se ve fácilmente afectada por el ruido eléctrico, lo que reducirá la precisión, y el controlador y el controlador deben hacerlo. grandes cantidades de procesamiento de datos requieren más tiempo y una respuesta más rápida.
En la actualidad, vi en el catálogo de productos de un proveedor que el múltiplo de interpolación máximo es 20.000 veces y la resolución alcanza 0,002 segundos de arco. Por supuesto, este disco de código también es muy grande, con un diámetro exterior de 206 mm y. un período físico de 32400 (es decir, 32400 líneas).
La resolución física de esta rueda de códigos es 360/32400 = 0,0111 y la resolución de interpolación es 0,0111/20000 * 30. La precisión que puede lograr este codificador después de la instalación es de 1 segundo de arco = 1/3600.
4. ¿Cuál es el principio de funcionamiento del codificador rotatorio absoluto?
Los codificadores absolutos funcionan de manera diferente a los codificadores incrementales.
¿Cuál es la diferencia?
Comienza el juego de compartir pasteles.
Veamos primero una imagen.
Esta imagen es el diagrama esquemático de un codificador absoluto de 16 bits. Todo el círculo está dividido en 16 partes, lo que significa que hay 16 sectores.
Similar al diagrama esquemático de un codificador incremental, pero con una diferencia: en dirección radial, cada sector se divide en cuatro partes.
La luz LED brilla desde un lado del disco de código. En consecuencia, hay un chip de detección en el otro lado del disco de código. El chip de detección tiene cuatro áreas de detección. Cada área de detección puede obtener varias partes. del mismo sector.
En la ventana transparente, la luz puede pasar y la señal se detecta en el área de detección. En el área opaca, la luz no puede pasar y el área de detección no se puede detectar.
Si la inducción y la no inducción se consideran dos estados, representados por 1 y 0 respectivamente, entonces cada área de detección puede representar dos estados.
Además, estas cuatro copias (4 bits) del mismo sector pueden representar 2^4 = 16 estados, por lo que el disco de código se divide en 16 copias en la dirección circunferencial, lo que en realidad es bastante. Codifica cada posición, cada código corresponde a una posición específica.
Tal vez también quieras preguntar, ¿se puede dividir en cuatro partes en dirección radial y más en dirección circunferencial? No tiene sentido tener múltiples puntos porque el radial solo tiene 4 dígitos y no puede representar más posiciones. Son pocos los puntos que no pueden aprovechar al máximo el número total de estados en los que debería estar una buena relación, por lo que dividirla en 2^4 = 16 es lo correcto.
Por ejemplo, en la imagen de abajo, de izquierda a derecha, se puede expresar como 0001, 0101, 1100 y la representación decimal es de 1, 5 y 12 dígitos.
0101 se convierte en base 10: 0 * 2 3 1 * 2 2 0 * 2 1 1 * 2 0 = 5. 1100 se convierte en 10: 1 * 2 3 1 * 2 1 0 * 2 0 = 12.
Hasta ahora, tenemos una comprensión básica del principio del codificador absoluto: asigne a cada posición un código único, luego use un sensor para identificar el código de cada posición y emita una señal única correspondiente para representar la posición específica.
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Si desea obtener una resolución más alta, necesita más bits de codificación, es decir, necesita grabar códigos más específicos en la dirección circunferencial (generalmente aumentando el disco de código).
Por ejemplo, si se necesitan 17 bits, es decir, 2 17 = 131072 bits, entonces se necesitan 131072 códigos diferentes, y la resolución en este momento es 360/131072.
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Por supuesto, no todos los métodos de codificación de todos los fabricantes son los mismos que en el ejemplo anterior. Algunos fabricantes no dividen en dirección radial, sino solo en dirección circunferencial, pero la idea básica es la misma, que es utilizar un código único para representar una posición única.
Esta es la idea central del codificador absoluto.
Habiendo terminado de hablar sobre el método de codificación, ¿cuál es la diferencia entre las formas de onda generadas por un codificador absoluto y un codificador incremental?
Tomemos como ejemplo un codificador absoluto óptico. La forma de onda de salida de un codificador absoluto típico es la siguiente, a la derecha.
Aquí se utiliza la modulación de ancho de pulso (PWM = Pulse Width Modulation).
Un codificador absoluto de 10 bits puede generar 2 10 = 1024 códigos únicos. ¿Cómo representar cada ubicación específica en el diagrama?
Expresado por ancho de pulso.
Por ejemplo, la posición cero inicial está representada por un ancho de pulso mínimo de 1 microsegundo. En 180, está representado por un ancho de banda de pulso de 512 microsegundos.
De manera similar, para otras posiciones, diferentes anchos de pulso, cuando la rueda de códigos gira, el ancho de banda del pulso transmitido es cada vez más largo.
Por cierto, hay un diagrama de forma de onda de un codificador magnético absoluto en el lado izquierdo de la imagen de arriba, que utiliza el nivel de voltaje para representar diferentes posiciones.
Dependiendo de la configuración del sistema de control, esta información de forma de onda se puede transmitir al controlador a través de diferentes interfaces de comunicación para el control por retroalimentación.
5. ¿Cuál es la diferencia entre codificador absoluto monovuelta y codificador multivuelta?
Los codificadores absolutos se dividen en codificadores monovueltas y multivueltas, es decir, codificadores absolutos monovuelta y codificadores absolutos multivuelta.
Codificador.
Una sola vuelta es fácil de entender, al igual que el minutero de un reloj, sigue girando y girando. Después de 60 minutos, el reloj se pone a cero y no registra revoluciones. No sé cuántas horas aquí.
Muchas vueltas, como un reloj con agujas de minutos y horas. Los minutos y las horas se pueden leer en cualquier momento.
Por lo tanto, los codificadores multivueltas pueden registrar muchas, muchas vueltas.
En los codificadores multivueltas reales, generalmente se utilizan tres métodos para registrar el número de vueltas.
El primero, como en la imagen de arriba, utiliza engranajes mecánicos para acoplar los múltiples ejes dentro del codificador para calcular el número total de revoluciones. Este método provocará desgaste y reducirá la precisión. Al mismo tiempo, los engranajes mecánicos ocupan mucho espacio, por lo que el tamaño del codificador es demasiado grande.
La segunda es utilizar un contador electrónico y un condensador para calcular el número total de revoluciones, pero a costa de instalar una batería en el codificador y comprobar la batería periódicamente.
En tercer lugar, en algunos codificadores magnéticos, se utilizan cables Wiegand y se utiliza el efecto Wiegand para contar. Este tipo de codificador no tiene muchas piezas mecánicas y puede fabricarse en tamaños muy pequeños.
El efecto Wiegand, esto es lo que aprendí en el proceso de entender el codificador, así que lo explicaré un poco más.
El alambre de oro Wiegand está hecho de una aleación especial, con una carcasa de metal magnético duro (imán permanente, no fácil de desmagnetizar) y un núcleo de metal magnético suave (fácil de desmagnetizar y magnetizar). La línea Wiegand muestra dos curvas de histéresis aparentemente discontinuas, conocidas como efecto Wiegand.
Bajo la acción de una intensidad de campo magnético adecuada, el campo magnético del núcleo Wiegand se invertirá y su campo magnético será igual o opuesto al campo magnético de la capa dura exterior, provocando que la cercana Bobina para generar un pulso. El tamaño y la forma no tienen nada que ver con la velocidad de cambio del campo magnético externo. El codificador magnético utiliza este pulso para registrar el número de revoluciones y escribe los datos en una memoria estable.
Por supuesto, los codificadores de una sola vuelta también pueden calcular el número de vueltas a través del número de repeticiones de señal, pero no es tan directo como un codificador de varias vueltas.
Si un codificador de una sola vuelta da más de una vuelta, no sabrá cuántas vueltas ha dado tras apagarlo y reiniciarlo, es decir, no sabe su posición absoluta.
Esta característica determina que los encoders absolutos de una sola vuelta sólo sean adecuados para aplicaciones que requieren posición absoluta en el arranque pero giran menos de una vuelta durante el funcionamiento.
Los codificadores multivueltas registran la posición física absoluta del número de vueltas, por lo que los codificadores multivueltas pueden obtener posiciones absolutas más largas y lejanas que los codificadores de una sola vuelta.
Pero al mismo tiempo también han surgido nuevos problemas con los codificadores multivueltas.
¿Qué pasa si el número de revoluciones supera su capacidad total de grabación?
En este momento, el número de vueltas se desbordará y se volverá a contar el conteo, o el variador y el controlador proporcionarán un seguimiento de posición especial llamado "posicionamiento de módulo", que puede almacenar cualquier movimiento de desbordamiento. , es decir, exceder la vuelta registrada. La parte giratoria del número se utiliza para proporcionar un posicionamiento preciso utilizando esta información.
En este punto, hemos vuelto a comprender la diferencia entre codificadores de una sola vuelta y codificadores de varias vueltas: los codificadores de una sola vuelta solo pueden registrar el movimiento dentro de una vuelta, mientras que los codificadores de varias vueltas pueden registrar un movimiento más largo. rotación o desplazamiento lineal.
Está bien.
Ahora volvamos y miremos los 17 bits/33 bits mencionados al principio del artículo.
¿Qué significa esto? Creo que ya lo entiendes por la explicación anterior.
El significado de 17 bits/33 bits es: 17 bits significa que hay 2 17 = 131072 pulsos por revolución, y 33 bits significa que el número total de pulsos es 2^33 = 2^17.
A la hora de calcular la resolución hay que tener en cuenta que su resolución sólo está relacionada con el número de pulsos en un círculo y no tiene nada que ver con el número total de círculos, es decir, la resolución de este. El codificador es 360/131072 = 0,00275 grados.
Si un motor utiliza este codificador y el husillo de bolas es impulsado por este motor y avanza 5 mm en un círculo, entonces la resolución teórica es: 5 mm/131072 CNT = 0,038 um/CNT.
Por supuesto, la resolución real debe ser inferior a esta. Después de todo, el sistema de husillo de bolas también tiene holgura. En muchos casos, la holgura del sistema mecánico es un defecto de todo el sistema.
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6. ¿Cuál es la diferencia entre codificador incremental y codificador absoluto? Incluyendo principios, precios, aplicaciones, etc.
A través de la explicación anterior, entendemos el principio de funcionamiento de los codificadores rotatorios incrementales y absolutos.
El principio de un codificador rotatorio absoluto es similar al de un codificador incremental. Ambos utilizan sensores para leer las líneas claras y oscuras en el disco de código para obtener pulsos e indican la posición según la cantidad de pulsos.
La diferencia es que los codificadores absolutos pueden recordar la posición actual cuando se apaga la alimentación. Incluso si hay un desplazamiento mecánico después de apagar la alimentación, sabrá dónde se ha movido después de encender la alimentación, porque el codificador absoluto tiene una codificación única para cada posición.
A diferencia de los codificadores incrementales, no tiene memoria y se puede reiniciar después de un corte de energía. Necesita encontrar un punto de referencia antes de poder encontrar la ubicación deseada.
Los codificadores incrementales son adecuados para determinar la velocidad, la distancia o la dirección del movimiento.
Si necesita saber la posición cuando se apaga y se reinicia la alimentación, entonces se necesita un codificador absoluto.
Por ejemplo, si quieres diseñar un brazo robótico, es posible que no tengas el espacio o la flexibilidad para moverlo a su ubicación original después de un corte de energía. En este caso es necesario utilizar un codificador absoluto.
Esta es una explicación técnica de la diferencia entre ambos.
Pero, de hecho, existen diferencias entre los dos en términos de costo y aplicación. No discutiré más ni daré los resultados directamente.
Tiene la siguiente forma:
7. A la hora de elegir un codificador, ¿cuáles son los tres factores de referencia más importantes?
1. Si es necesario conocer la posición absoluta al inicio se utiliza para decidir si se elige incremental o absoluta. El número posible de revoluciones durante el funcionamiento real se utiliza para determinar si el codificador es multivuelta o monovuelta.
2. Los requisitos de precisión y los requisitos de resolución determinan la selección de resolución del codificador.
3. Velocidad máxima. Al seleccionar una resolución, la frecuencia de la señal generada por el codificador debe calcularse junto con la velocidad máxima. La frecuencia de salida del codificador debe ser inferior a la frecuencia de entrada máxima que el controlador o contador puede aceptar; de lo contrario, es necesario volver a seleccionar y combinar el codificador. Además, el propio codificador también tiene un requisito de velocidad máxima.
4. Considere el precio junto con su presupuesto.
5. Método de instalación. Instalación del orificio del eje, evaluación del tamaño del espacio, requisitos de tolerancia de instalación, dirección de salida, etc.
6. Entorno externo. Polvo, humedad, temperatura, vibración, entorno electromagnético, etc. , determine la selección del codificador y el blindaje de la línea de señal, como líneas ópticas, magnéticas o capacitivas, apantalladas o no apantalladas.
Por supuesto, si hay cierta incertidumbre en la elección real, debe haber una manera de ayudarle a resolver el problema.
Es decir, contactar con tu proveedor y contarle tu problema. Después de todo, son profesionales. Muchas veces, pueden darte buenas opciones y sugerencias. Este momento suele ser una buena oportunidad para aprender.
En cuanto al codificador, si quieres profundizar más, hay muchos temas, como la fuente del ruido y cómo controlarlo.
Pero limitados por el tema y la extensión, detengámonos aquí.
Si este artículo te resulta útil, recuerda pedirlo.
Por último, te daré unos cuantos robots para que juegues, adivina cuál es hembra.
Hasta la próxima.
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