Enkooderit ovat yleisiä liikkeenohjaustuotteissa, ja pyörivät kooderit ovat liikkeenohjauksen palautesilmukoiden avainkomponentteja, mukaan lukien teollisuusautomaatiolaitteet ja prosessinohjaus, robotiikka, lääketieteelliset laitteet, energia, ilmailu jne.
Laitteina, jotka muuntavat mekaanisen liikkeen sähköisiksi signaaleiksi, anturit tarjoavat insinööreille perustietoja, kuten sijaintia, nopeutta, etäisyyttä ja suuntaa, joita voidaan käyttää optimoimaan koko järjestelmän suorituskykyä.
Optinen, magneettinen ja kapasitiivinen ovat kolme tärkeintä insinöörien käytettävissä olevaa enkooderitekniikkaa. On kuitenkin otettava huomioon useita tekijöitä sen määrittämiseksi, mikä tekniikka on paras mahdolliseen käyttöön.
Tämä artikkeli antaa yleiskatsauksen optisista, magneettisista ja kapasitiivisista kooderitekniikoista ja keskustelee lyhyesti kunkin tekniikan eduista ja haitoista.
1. Optinen kooderi
Optiset kooderit ovat olleet suosittu valinta liikkeenohjaussovellusmarkkinoilla useiden vuosien ajan. Se koostuu LED-valonlähteestä (yleensä infrapunavalolähteestä) ja valoilmaisimesta, jotka sijaitsevat kooderin koodikilven molemmilla puolilla.
Koodilevy on valmistettu muovista tai lasista, ja siinä on joukko läpinäkyviä ja läpinäkymättömiä viivoja tai rakoja, jotka on järjestetty väliajoin. Koodilevyn pyöriessä LED-optinen polku estyy koodilevyllä väliajoin järjestetyillä viivoilla tai aukoilla, jolloin syntyy kaksi tyypillistä neliöaalto-A ja B ortogonaalista pulssia, joiden avulla voidaan määrittää akselin pyöriminen ja nopeus. .
Optisten, magneettisten ja kapasitiivisten kooderien tekninen analyysi
Kuva 1: Tyypilliset A- ja B-ortogonaaliset pulssit optisille koodereille, mukaan lukien indeksipulssit (valokuva: CUI-laitteet)
Vaikka optisia koodereita käytetään laajalti, niillä on silti useita haittoja. Pölyisissä ja likaisissa ympäristöissä, kuten teollisuussovelluksissa, koodikilpeen voi kerääntyä epäpuhtauksia, mikä estää LED-valon siirtymisen optiseen anturiin.
Optisen kooderin luotettavuus ja tarkkuus vaikuttavat suuresti, koska saastunut koodilevy voi johtaa neliöaallon katkeamiseen tai täydelliseen katoamiseen.
Ledien käyttöikä on rajoitettu ja ne palavat lopulta loppuun, mikä johtaa kooderin vikaantumiseen. Lisäksi lasit tai muoviset koodilevyt ovat alttiita vaurioille tärinän tai äärimmäisten lämpötilojen vuoksi, mikä rajoittaa optisten kooderien sovellettavuutta ankarissa ympäristösovelluksissa; Sen kokoaminen moottoriin ei ole vain aikaa vievää, vaan siihen liittyy myös suurempi kontaminaatioriski.
Lopuksi, jos optisen kooderin resoluutio on korkea, se kuluttaa yli 100 mA virtaa, mikä vaikuttaa entisestään sen käyttöön mobiili- tai akkukäyttöisissä laitteissa.
2. Magneettinen kooderi
Magneettiset kooderit ovat rakenteeltaan samanlaisia kuin optiset kooderit, mutta käyttävät magneettikenttää valonsäteen sijaan. Magneettiset kooderit korvaavat uralliset optiset koodilevyt magneettisilla koodilevyillä, joissa on toisistaan erillään olevat magneettiset navat, jotka pyörivät rivissä Hall-ilmiöitä tai reluktanssiantureita.
Mikä tahansa koodilevyn pyörittäminen saa nämä anturit reagoimaan, ja tuloksena oleva signaali lähetetään signaalinkäsittelyn etupiiriin akselin asennon määrittämiseksi.
Optisiin koodereihin verrattuna magneettisilla koodereilla on se etu, että ne ovat kestävämpiä, tärinää ja iskuja kestävämpiä. Lisäksi optisten kooderien suorituskyky heikkenee suuresti epäpuhtauksien, kuten pölyn, lian ja öljytahrojen, tapauksessa, kun taas magneettiset kooderit eivät vaikuta, joten ne sopivat ihanteellisesti vaativiin ympäristösovelluksiin.
Kuitenkin moottoreiden (erityisesti askelmoottoreiden) synnyttämillä sähkömagneettisilla häiriöillä on suuri vaikutus magneettiseen kooderiin, ja lämpötilan muutokset aiheuttavat myös sen asennon siirtymistä.
Lisäksi magneettisten kooderien resoluutio ja tarkkuus ovat suhteellisen alhaisia ja ovat paljon pienempiä kuin optisten ja kapasitiivisten kooderien tässä suhteessa.
3. Kapasitiivinen kooderi
Kapasitiivinen kooderi koostuu kolmesta pääosasta: roottorista, kiinteästä lähettimestä ja kiinteästä vastaanottimesta. Kapasitiivinen tunnistus käyttää nauhaa tai lineaarista kuviota, jossa yksi napa on kiinteässä elementissä ja TOINEN napa LIIKKUVAssa elementissä muodostamaan muuttuvan kondensaattorin, joka on konfiguroitu vastaanottimien/lähettimien pariksi.
Roottori on syövytetty siniaaltokuvion avulla, joka tuottaa tietyn mutta ennustettavan signaalin moottorin akselin pyöriessä. Sen jälkeen kooderin sisäinen ASIC muuntaa tämän signaalin akselin sijainnin ja pyörimissuunnan laskemiseksi.
Optisten, magneettisten ja kapasitiivisten kooderien tekninen analyysi
Kuva 2: Enkooderilevyjen vertailu (valokuva: CUI-laitteet)
4. Kapasitiivinen kooderi
Kapasitiivinen anturi toimii samalla periaatteella kuin digitaalinen noniersatula, joten se tarjoaa ratkaisun, joka voittaa monet optisten ja magneettisten kooderien haitat.
CUI Devicesin AMT-enkooderisarjassa käytetty kapasitanssipohjainen tekniikka on osoittautunut erittäin luotettavaksi ja erittäin tarkaksi.
Koska LEDiä tai näkökenttää ei tarvita, kapasitiiviset kooderit voivat saavuttaa halutut tulokset jopa silloin, kun ne kohtaavat ympäristön epäpuhtauksia, jotka voivat vaikuttaa haitallisesti optisiin kooderiin, kuten pöly, lika ja öljytahrat.
Lisäksi se on vähemmän herkkä tärinälle ja erittäin korkeille/matalille lämpötiloille kuin optisissa koodereissa käytetyt lasikoodilevyt.
Kuten aiemmin mainittiin, kapasitiivisilla koodereilla on yleensä pidempi käyttöikä kuin optisilla koodereilla, koska ledit eivät pala.
Tämän seurauksena kapasitiivisen kooderin pakkauskoko on pienempi ja se kuluttaa vähemmän virtaa koko resoluutioalueella, vain 6–18 mA, mikä tekee siitä sopivamman akkukäyttöisiin sovelluksiin.
Koska kapasitiivisen tekniikan kestävyys, tarkkuus ja resoluutio ovat korkeampia kuin magneettisen kooderin, ei jälkimmäisen kohtaamat sähkömagneettiset häiriöt ja sähköinen kohina vaikuta siihen paljon.
Lisäksi kapasitiivisten kooderien digitaalinen luonne tarjoaa keskeisiä etuja joustavuuden ja ohjelmoitavuuden suhteen. Koska optisen tai magneettisen kooderin resoluutio määräytyy enkooderilevyn mukaan, uutta kooderia käytetään aina, kun tarvitaan muita resoluutioita, mikä lisää suunnittelu- ja valmistusprosessin aikaa ja kustannuksia.
However, capacitative encoders have a range of programmable resolutions, saving designers the trouble of replacing the encoder every time a new resolution is needed, which not only reduces inventory, but also simplifies PID control loop fine-tuning and system optimization.
Kapasitiiviset kooderit mahdollistavat pulssiasetusten digitaalisen kohdistuksen ja indeksoinnin, kun BLDC-moottori käynnistyy, mikä voi olla toistuvaa ja aikaa vievää tehtävää optisille koodereille.
Sisäänrakennetut diagnostiikkaominaisuudet antavat suunnittelijoille pääsyn järjestelmätietoihin järjestelmän optimoimiseksi tai vianmäärityksen tekemiseksi kentällä.
Optisten, magneettisten ja kapasitiivisten kooderien tekninen analyysi
Kuva 3: Kapasitiivisten, optisten ja magneettisten teknologioiden keskeisten suorituskykyindikaattoreiden vertailu (Kuvan luotto: CUI-laitteet)
5. Punnitse vaihtoehtosi
Monissa liikkeenohjaussovelluksissa lämpötila, tärinä ja ympäristön epäpuhtaudet ovat tärkeitä haastetekijöitä, joita kooderien on käsiteltävä. Osoittautuu, että kapasitiiviset kooderit voivat voittaa nämä haasteet.
Optisiin tai magneettisiin teknologioihin verrattuna se tarjoaa suunnittelijoille luotettavia, tarkkoja ja joustavia ratkaisuja.
Lisäksi kapasitiiviset enkooderit lisäävät ohjelmoitavuutta ja diagnostiikkaa, digitaalisen ominaisuuden, joka tekee niistä sopivampia nykyaikaisiin esineiden Internet- (IoT) ja teollisten esineiden Internet (IIoT) -sovelluksiin.