Kódovače sú bežné v produktoch na riadenie pohybu a rotačné kódovače sú kľúčovými komponentmi spätnoväzbových slučiek riadenia pohybu vrátane priemyselných automatizačných zariadení a riadenia procesov, robotiky, zdravotníckych zariadení, energetiky, letectva atď.
Ako zariadenia, ktoré premieňajú mechanický pohyb na elektrické signály, kódovače poskytujú inžinierom základné údaje, ako je poloha, rýchlosť, vzdialenosť a smer, ktoré možno použiť na optimalizáciu výkonu celého systému.
Optické, magnetické a kapacitné sú tri hlavné technológie kódovania, ktoré majú inžinieri k dispozícii. Na určenie, ktorá technológia je pre prípadnú aplikáciu najlepšia, je však potrebné zvážiť množstvo faktorov.
Tento článok poskytne prehľad technológií optických, magnetických a kapacitných kódovačov a stručne rozoberie výhody a nevýhody každej technológie.
1. Optický kódovač
Optické snímače sú populárnou voľbou na trhu aplikácií na riadenie pohybu už mnoho rokov. Skladá sa z LED svetelného zdroja (zvyčajne infračerveného svetelného zdroja) a fotodetektora, ktoré sú umiestnené na oboch stranách kódového štítku kódovača.
Štítok s kódom je vyrobený z plastu alebo skla so sériou priehľadných a nepriehľadných čiar alebo štrbín usporiadaných v intervaloch. Keď sa kódový disk otáča, optická dráha LED je blokovaná čiarami alebo štrbinami usporiadanými v intervaloch na kódovom disku, čím sa generujú dva typické ortogonálne impulzy A a B so štvorcovými vlnami, ktoré možno použiť na určenie rotácie a rýchlosti osi. .
Technická analýza optických, magnetických a kapacitných kódovačov
Obrázok 1: Typické ortogonálne impulzy A a B pre optické kódovače vrátane indexových impulzov (Fotokredit: CUI Devices)
Aj keď sú optické kódovače široko používané, stále majú niekoľko nevýhod. V prašnom a špinavom prostredí, ako sú priemyselné aplikácie, sa na štítku s kódom môžu hromadiť nečistoty, ktoré blokujú prenos svetla LED do optického snímača.
Spoľahlivosť a presnosť optického kódovača sú značne ovplyvnené, pretože kontaminovaný kódový disk môže viesť k prerušeniu alebo úplnej strate štvorcovej vlny.
LED diódy majú obmedzenú životnosť a nakoniec sa vypália, čo vedie k poruche kódovača. Okrem toho sú sklenené alebo plastové kódovacie disky náchylné na poškodenie v dôsledku vibrácií alebo extrémnych teplôt, čím sa obmedzuje použiteľnosť optických kódovačov v aplikáciách v drsnom prostredí; Jeho montáž do motora je nielen časovo náročná, ale nesie so sebou aj väčšie riziko kontaminácie.
Nakoniec, ak je rozlíšenie optického kódovača vysoké, bude spotrebovať viac ako 100 mA prúdu, čo ďalej ovplyvní jeho použitie v mobilných zariadeniach alebo zariadeniach napájaných z batérie.
2. Magnetický kódovač
Magnetické kódovače majú podobnú štruktúru ako optické kódovače, ale namiesto svetelného lúča používajú magnetické pole. Magnetické kódovače nahrádzajú štrbinové disky s optickým kódom diskami s magnetickým kódom s rozmiestnenými magnetickými pólmi, ktoré sa otáčajú na rade snímačov Hallovho efektu alebo reluktančných snímačov.
Akékoľvek otočenie štítku s kódom spôsobí, že tieto snímače zareagujú a výsledný signál sa prenesie do predného obvodu na úpravu signálu, aby sa určila poloha hriadeľa.
Oproti optickým kódovačom majú magnetické kódovače tú výhodu, že sú odolnejšie, odolné voči vibráciám a nárazom. Okrem toho je výkon optických kódovačov značne znížený v prípade kontaminantov, ako je prach, špina a olejové škvrny, zatiaľ čo magnetické kódovače nie sú ovplyvnené, vďaka čomu sú ideálne pre aplikácie v drsnom prostredí.
Elektromagnetické rušenie generované motormi (najmä krokovými motormi) však bude mať veľký vplyv na magnetický enkodér a zmeny teploty spôsobia aj posun jeho polohy.
Okrem toho je rozlíšenie a presnosť magnetických kódovačov relatívne nízke av tomto ohľade sú oveľa menšie ako optické a kapacitné kódovače.
3. Kapacitný kódovač
Kapacitný snímač sa skladá z troch hlavných častí: rotor, pevný vysielač a pevný prijímač. Kapacitné snímanie využíva pásik alebo lineárny vzor s jedným pólom na pevnom prvku a DALŠÍM pólom na POHYBUJÚcom sa prvku na vytvorenie variabilného kondenzátora nakonfigurovaného ako pár prijímačov/vysielačov.
Rotor je vyleptaný sínusovým vzorom, ktorý vytvára špecifický, ale predvídateľný signál, keď sa hriadeľ motora otáča. Tento signál je potom konvertovaný zabudovaným ASIC kódovača na výpočet polohy a smeru otáčania osi.
Technická analýza optických, magnetických a kapacitných kódovačov
Obrázok 2: Porovnanie diskov kódovača (Foto kredit: Zariadenia CUI)
4. Kapacitný kódovač
Kapacitný snímač pracuje na rovnakom princípe ako digitálny nónius, takže poskytuje riešenie, ktoré prekonáva mnohé nevýhody optických a magnetických snímačov.
Technológia založená na kapacite použitá v rade snímačov AMT od CUI Devices sa ukázala ako vysoko spoľahlivá a vysoko presná.
Keďže nie je potrebná žiadna LED dióda alebo priama viditeľnosť, kapacitné snímače môžu dosiahnuť požadované výsledky aj vtedy, keď sa stretnú s environmentálnymi nečistotami, ktoré môžu nepriaznivo ovplyvniť optické snímače, ako je prach, špina a olejové škvrny.
Okrem toho je menej náchylný na vibrácie a extrémne vysoké/nízke teploty ako sklenené kódové disky používané v optických kódovačoch.
Ako už bolo spomenuté, kapacitné snímače majú tendenciu mať dlhšiu životnosť ako optické snímače, pretože LED diódy nevyhoria.
Výsledkom je, že kapacitný kódovač má menšiu veľkosť balenia a spotrebuje menej prúdu v celom rozsahu rozlíšenia iba 6 až 18 mA, vďaka čomu je vhodnejší pre aplikácie napájané z batérie.
Pretože robustnosť, presnosť a rozlíšenie kapacitnej technológie sú vyššie ako u magnetického kodéra, elektromagnetické rušenie a elektrický šum, ktorému čelia, na to nemajú veľký vplyv.
Navyše digitálny charakter kapacitných kódovačov ponúka kľúčové výhody z hľadiska flexibility a programovateľnosti. Pretože rozlíšenie optického alebo magnetického kódovača je určené doskou kódovača, použije sa nový kódovač zakaždým, keď sú potrebné iné rozlíšenia, čo vedie k zvýšeniu času a nákladov na návrh a výrobný proces.
Kapacitné snímače však majú celý rad programovateľných rozlíšení, čo konštruktérom ušetrí námahu pri výmene snímača zakaždým, keď je potrebné nové rozlíšenie, čo nielen znižuje zásoby, ale tiež zjednodušuje jemné ladenie regulačnej slučky PID a optimalizáciu systému.
Kapacitné snímače umožňujú digitálne zarovnanie a indexovanie nastavení impulzov pri spustení motora BLDC, čo je úloha, ktorá sa môže pre optické snímače opakovať a zdĺhavo.
Vstavané diagnostické funkcie poskytujú dizajnérom ďalší prístup k systémovým údajom na optimalizáciu systému alebo riešenie problémov v teréne.
Technická analýza optických, magnetických a kapacitných kódovačov
Obrázok 3: Porovnanie kľúčových ukazovateľov výkonu pre kapacitné, optické a magnetické technológie (Foto kredit: CUI Devices)
5. Zvážte svoje možnosti
V mnohých aplikáciách riadenia pohybu sú teplota, vibrácie a kontaminanty prostredia dôležitými problémovými faktormi, s ktorými sa musia kódovače vysporiadať. Ukazuje sa, že kapacitné kódovače dokážu tieto výzvy prekonať.
V porovnaní s optickými či magnetickými technológiami poskytuje konštruktérom spoľahlivé, presné a flexibilné riešenia.
Kapacitné kódovače navyše pridávajú programovateľnosť a diagnostiku, digitálnu funkciu, vďaka ktorej sú vhodnejšie pre aplikácie moderného internetu vecí (IoT) a priemyselného internetu vecí (IIoT).