Nowa konstrukcja i metody wartościowania sygnałów zwiększają możliwości enkoderów absolutnych obrotowych, oferujących wysoką rozdzielczość i dokładność charakterystyczne dla optycznych enkoderów absolutnych, przy zachowaniu kompaktowych wymiarów enkoderów magnetycznych. Udoskonalenia konstrukcji dotyczą niecyklicznego wzoru i opatentowanej metody wartościowania sygnału, umożliwiających generowanie kodu Graya i pomiar pozycji kątowych obiektu poprzez odczyt położenia znaków umieszczonych na tarczy obrotowej.
Nowa konstrukcja magnetycznych enkoderów absolutnych zapewnia wysoką rozdzielczość i dokładność porównywalną z enkoderami optycznymi,jednak w wykonaniu bardziej zwartym i wytrzymałym. Przewaga tego rozwiązania wynika z zastosowania niecyklicznego wzoru ścieżki i opatentowanej metody wartościowania sygnału, pozwalających na generowanie kodu Graya i pomiary pozycji kątowych obiektu na podstawie znaków umieszczonych na kołowej ścieżce i zmieniających swoje położenie podczas ruchu. Kod Graya (nazwany tak na cześć fizyka i badacza Franka Graya) to kod dwójkowy, gdzie zmiana sąsiadujących ze sobą wartości następuje poprzez zmianę tylko jednego bitu. Zabezpiecza to przed błędnym odczytem wartości przy przejściach pomiędzy kolejnymi pozycjami.
Optyczne enkodery obrotowe
W konwencjonalnych enkoderach inkrementalnych (przyrostowych) wykorzystuje się dyski z jedną lub dwoma ścieżkami koncentrycznymi. Każda ścieżka składa się ze wzoru pól na przemian przezroczystych i nieprzezroczystych kresek, z podziałką kreskową.
Promień światła przechodzącego przez dysk odczytywany jest przez czujnik optyczny, a wynik pomiaru przedstawiany zawsze jako określona liczba impulsów na jeden obrót tarczy. W przypadku układu dwóch ścieżek na tarczy, pokazanego na rys. 1, każdemu ze wzorów jest przyporządkowana para czujników emiter-detektor, która generuje dwa przesunięte fazowo sinusoidalne sygnały analogowe.
W układzie jednościeżkowym dwa sygnały są podobnie wytwarzane przez dwa czujniki, przesunięte wględem siebie o jedną czwartą okresu. Te sygnały analogowe są później przekształcane na cyfrowe (fale prostokątne), w których każdy kanał sygnału elektrycznego jest przesunięty względem drugiego o 90 stopni. Poprzez monitorowanie na wyjściu przesunięcia jednego sygnału względem drugiego można określić kierunek obrotu. Enkodery optyczne mają zwykle wzór inkrementalny (przyrostowy), z podziałką kreskową, zawierający liczbę (n) cyklicznie powtarzających się sekcji (wahającą się od 250 do kilku tysięcy), równo rozmieszczonych dookoła tarczy. W procesie zamiany sygnału analogowego na cyfrowy generowanych jest 4xn impulsów na jeden obrót tarczy. Wartości analogowe tych dwóch sygnałów są używane do zliczania liczby impulsów w okresie jednego obrotu wzoru przyrostowego i dalej do ustalania dokładnej pozycji elementów oraz pomiaru odległości przy wszelkiego typu maszynach wymagających dokładnego pozycjonowania. Jednak do ustalenia bezwzględnej pozycji podczas jednego obrotu konieczna jest znajomość położenia wyjściowego (pozycja początkowa).
W celu określenia pozycji absolutnych tarcza enkodera obrotowego zawiera dodatkową ścieżkę z wzorem kodu dwójkowego ? przykład takiego rozwiązania pokazano na rys. 2. Ta ścieżka absolutna składa się z segmentów o różnej długości, wg ustalonego wzoru. Każdy segment stanowi wielokrotność oddzielnych przyrostów/pól, umieszczonych na podziałce kreskowej o zdefiniowanej rozdzielczości.
Absolutna rozdzielczość optyczna musi być taka, jak wielkość podziałki kreskowej. Wielkość każdego wydzielonego przyrostu wzoru absolutnego jest zatem równa długości sekcji cyklicznej (stopnia podziałki) wzoru inkrementalnego.
Aby odczytać ścieżkę absolutną, kilka czujników śledzi kolejne sekcje danego wzoru ścieżki. Odległość pomiędzy dwoma sąsiadującymi czujnikami musi być równa podziałce ścieżki absolutnej lub ścieżki przyrostowej.
Ze względu na wynikające stąd małe rozmiary takich urządzeń, specjalnie zaprojektowane miniaturowe czujniki enkoderów optycznych mają zwykle postać przeznaczonej do danej aplikacji grupy szeregów sensorów optycznych, wbudowanych do układu scalonego. Rys. 3 przedstawia układ czujników enkodera absolutnego. Sygnały cyfrowe na wyjściu układu tworzą kod Graya.
Magnetyczne enkodery obrotowe
Enkodery magnetyczne oparte są na tej samej zasadzie działania jak enkodery przyrostowe, ale elementem ich przewagi nad układami optycznymi jest większa wytrzymałość konstrukcyjna, wynikająca z mniejszej wrażliwości na wstrząsy, drgania i zanieczyszczenia. Mają także wydłużoną żywotność, ponieważ nie występuje w nich degradacja czasowa diod świecących LED (Light Emitting Diodes).
Ze względu na to, że wartość pola magnetycznego znacznie zmniejsza się przy wzroście odległości od namagnesowanej powierzchni, liczba cyklicznie powtarzających się sekcji wzoru nie może być większa niż kilka tuzinów. Jeśli podziałka jest bardzo mała, czujnik magnetyczny musi znajdować się bardzo blisko od powierzchni namagnesowanej, aby wykryć zmianę pozycji.
Enkodery magnetyczne zwykle kompensują błędy dla małych odcinków czasowych, poprzez przetwarzanie analogowe z wyższą rozdzelczością. W rezultacie są bardziej wrażliwe na zakłócenia elektryczne. Dodatkowo, sygnał w jednym okresie jest mniej dokładny, co sprawia, że całkowita dokładność enkoderów magnetycznych staje się mniejsza niż porównywalnych z nimi przetworników optycznych. Zarówno enkodery optyczne jak i magnetyczne mają kilka wad, m.in. wymagają przynajmniej dwóch ścieżek i szeregu czujników, aby ustalić położenie kątowe tarczy obrotowej. Szczególnie dla enkoderów magnetycznych trudno jest opracować dwa wzory ścieżek koncentrycznych na tarczy enkodera. W przypadku enkoderów absolutnych, magnetycznych i optycznych, niezawodne wykrywanie pozycji w dużym stopniu zależy od dokładności kodu na matrycy czujnika.
Z powodu bardzo małych tolerancji wymiarowych ścieżek kodowych, tarcze enkoderów absolutnych muszą być wytwarzane z wielką precyzją. Weźmy pod uwagę to, że enkodery absolutne zwykle mają 256 podziałek, a enkodery przyrostowe takiej samej wielkości nawet 1024.
Jak to pokazano na rys. 4, dzięki nowej konstrukcji magnetycznych enkoderów absolutnych, wiele wad konwencjonalnych enkoderów absolutnych zostało wyeliminowanych. Wzdłuż zewnętrznej krawędzi tarczy enkodera rozmieszczono na okręgu magnesy stałe różnych rozmiarów, tworzące zmieniający się podczas ruchu kod magnetyczny.
Czujniki magnetyczne (Halla), rozmieszczone równomiernie względem siebie, na obwodzie okręgu, położone blisko magnetycznej ścieżki, są przymocowane do części nieruchomej enkodera. Opatentowany algorytm generuje kod Graya dla maksymalnej liczby pozycji, przy ustalonej liczbie czujników, na podstawie niecyklicznego wzoru jednej magnetycznej ścieżki kodującej.
Sygnały analogowe na wyjściu z czujnika umożliwiają bezbłędne ustalenie pozycji bezwzględnej. Czujniki wysyłają sygnały elektryczne proporcjonalnie do wielkości pola magnetycznego, wytwarzanego przez zwrócony ku nim magnes. Te sygnały analogowe są najpierw przetwarzane na cyfrowe, przez porównanie ich z wartością progową, a następnie na ich podstawie generowany jest kod Graya, który określa pozycję absolutną, przy niskiej rozdzielczości. Przykładowo, konfiguracja siedmiu czujników tworzy kod Graya, który rozpoznaje 98 pozycji.
Aby osiągnąć jeszcze wyższą rozdzielczość absolutną, zastosowano dodatkową, opatentowaną metodę wartościowania sygnału. Dwa sygnały analogowe, wg zdefiniowanej wcześniej tabeli, są związane z każdym wyrazem kodem Graya. Pozycja absolutna tarczy koresponduje z odpowiednią wartością zapisaną wcześniej w tabeli wartości pozycji, dla sygnału analogowego najbliższego wartości progowej.
Takie rozwiązanie daje rozdzielczość na poziomie 20 bitów, przy zastosowaniu 12-bitowego przetwornika sygnału analogowego na cyfrowy, w układzie z siedmioma czujnikami.
Zaproponowana wysoce wytrzymała konstrukcja jest szczególnie odpowiednia dla aplikacji z enkoderami silnikowymi, narażonymi na wysokie drgania i wstrząsy, jakie powstają, przykładowo, w czasie hamowania awaryjnego, w kopalniach, stalowniach, cementowniach i zakładach papierniczych.
O autorze: Dr. Markus Erlich jest wiceprezesem wydziału marketingu w firmie Servotronix Motion Control.
