Enkodery do montażu tablicowego - zrozumienie podstaw

Artykuł omawia zagadnienia elektrotechniczne dotyczące enkoderów obrotowych do montażu tablicowego. Wspomniane urządzenia zasadniczo są przetwornikami, które przekształcają ruch obrotowy na sygnały elektryczne dla systemu hosta. Podczas obracania mechanizm enkodera generuje impulsy, które pozwalają urządzeniu sterującemu na określenie kluczowych informacji, takich jak kierunek, pozycja, liczba lub prędkość.

Enkodery do montażu tablicowego są niezbędne w wielu różnych branżach. Można je znaleźć w takich branżach, jak obronność, lotnictwo i kosmonautyka, medycyna, wyroby konsumenckie, urządzenia pomiarowe oraz probiercze i nie tylko. Uniwersalność enkoderów do montażu tablicowego pozwala na ich użycie w różnorodnych zastosowaniach, takich jak elementy sterujące w kokpitach, miksery studyjne i urządzenia audio, elektroniczne przyrządy i urządzenia laboratoryjne, napędy silnikowe itp. Ze względu na tę uniwersalność, enkodery do montażu tablicowego stanowią preferowany wybór w precyzyjnych interfejsach sterowania. Artykuł omawia fundamentalne zasady działania enkoderów obrotowych do montażu tablicowego, kluczowe specyfikacje i inne zagadnienia.

Podstawy enkoderów do montażu tablicowego

Nazwa enkoderów obrotowych do montażu tablicowego bierze się po prostu stąd, że są one fizycznie montowane na tablicach. Urządzenia te służą głównie jako interfejsy użytkownika. Przykładem może być gałka głośności w sprzęcie stereo. Pozwalają one użytkownikom zmieniać różnorodne parametry systemów i działają jako kanał komunikacji pomiędzy użytkownikiem i procesorem systemowym.

W porównaniu do potencjometrów - innych komponentów do montażu tablicowego o podobnej funkcji przekształcania ruchu obrotowego na sygnały - enkodery obrotowe do montażu tablicowego wykazują się konkretnymi zaletami. Enkodery do montażu tablicowego charakteryzują się ciaśniejszymi tolerancjami produkcyjnymi, co skutkuje wyższą dokładnością i powtarzalnością. Ponadto ich cyfrowe wyjścia bezproblemowo współpracują ze współczesnymi urządzeniami cyfrowymi, eliminując potrzebę stosowania przetworników analogowo-cyfrowych, co redukuje koszty i potencjalne błędy. Dla osób zainteresowanych potencjometrami, firma Same Sky przygotowała artykuł pt. „Kompletny przewodnik po potencjometrach”, który omawia szczegółowo te podobne, a jednocześnie różne komponenty.

Specyfikacje i zagadnienia dotyczące enkoderów do montażu tablicowego

Zanim poświęcimy więcej uwagi enkoderom obrotowym do montażu tablicowego i konkretnym ich cechom, przyjrzyjmy się kilku kluczowym specyfikacjom i zagadnieniom. PPR to liczba impulsów na jeden obrót, która definiuje ilościowo miarę rozdzielczości enkodera, informując o liczbie impulsów przebiegu prostokątnego generowanych w jednym obrocie o 360 stopni (ilustracja 1). Rozdzielczość może być również podawana w zliczeniach na obrót (CPR), obliczanych jako wartość PPR pomnożona przez 4, co odpowiada liczbie zmian kwadraturowych na jeden obrót. Pełne zrozumienie tych miar umożliwia opublikowany przez firmę Same Sky artykuł pt. „Czym różnią się parametry PPR, CPR i LPR w enkoderach inkrementalnych?".

Ilustracja 1: impulsy są mierzone jako przebiegi pomiędzy dwoma identycznymi punktami. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Wbudowana funkcja zapadek zapewnia użytkownikowi potwierdzenie w postaci słyszalnych „kliknięć” podczas obracania wałem. Specyfikacja zapadki określana jest w „kliknięciach” na jeden obrót o 360 stopni. Zapadka zapobiega niezamierzonemu obracaniu i zapewnia wyczuwalne potwierdzenie określonych pozycji kątowych podczas ruchu wału.

Dodatkową funkcją enkodera jest łącznik naciskany, który zapewnia dodatkowy sygnał wejściowy od użytkownika. Naciśnięcie wału enkodera uruchamia prosty przełącznik jednobiegunowy ze stykiem zwierno-rozwiernym (SPST). Funkcja ta jest powszechnie używana do wybierania funkcji zmienianych poprzez obracanie gałką enkodera.

W celu rozróżnienia kierunku, enkodery obrotowe wykorzystują przebiegi prostokątne na dwóch kanałach przesuniętych o 90 stopni elektrycznych. Względne przesunięcie fazowe pomiędzy tymi kanałami pozwala wykryć wiodący kanał, co stanowi niezawodne wskazanie kierunku obrotu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wykrywanie sygnału wiodącego, umożliwiającego monitorowanie kierunku obrotu zgodnego lub przeciwnego do ruchu wskazówek zegara. (Źródło ilustracji: Same Sky)

W dążeniu do zwiększenia rozdzielczości, wiele zastosowań wykorzystuje kwadraturowe zmiany stanu, gdzie jeden cykl obejmuje przejście ze stanu niskiego do wysokiego, a następnie ponownie do niskiego w obydwu kanałach. Podejście takie efektywnie zwiększa zliczenia na jeden obrót, co podwyższa rozdzielczość enkodera i precyzję śledzenia ruchu obrotowego. Jest to sprytna strategia uzyskania bardziej szczegółowych informacji z każdego obrotu, optymalizująca działanie enkodera w różnorodnych zastosowaniach.

Ilustracja 3: kwadraturowa tabela logiczna. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Połączenie enkoderów do montażu tablicowego z mikrokontrolerami polega na stworzeniu obwodu, w którym mikrokontroler jest źródłem prądu i stanowi połączenie z napięciem V+, natomiast enkoder stanowi drogę przepływu do masy. Tak stworzony obwód pozwala na bezproblemową komunikację pomiędzy enkoderem i mikrokontrolerem. Termin „otwarty kolektor" jest używany zamiennie z „odbiorem”, co wskazuje na to, że kolektor tranzystora wyjściowego znajduje się na zewnątrz urządzenia. Chodzi o ustanowienie skutecznej drogi elektrycznej umożliwiającej wymianę danych.

Należy również zdawać sobie sprawę, że mikrokontrolery wykorzystują różne metody zliczania:

1. Impulsy w jednym kanale: ta prosta metoda przypisuje 1 zliczenie na jeden impuls, co upraszcza proces zliczania w zastosowaniach, gdzie podstawowe zliczanie jest wystarczające.
2. Impulsy w dwóch kanałach: wykorzystanie obydwu kanałów efektywnie podwaja zliczenia, oferując bardziej szczegółową i dokładną reprezentację ruchów enkodera.
3. Kwadraturowe zmiany stanu: wybranie tej opcji pozwala wykorzystać cztery zliczenia na cykl, co zapewnia jeszcze wyższą rozdzielczość i precyzję śledzenia zmian położenia wału.

Porównanie rozwiązań mechanicznych i optycznych

Generalnie enkodery do montażu tablicowego działają z wykorzystaniem dwóch podstawowych technologii: mechanicznej i optycznej.

Enkodery mechaniczne działają jak układy łączników i wykorzystują tarczę kodową posiadającą styki równomiernie rozmieszczone na jej krawędzi zewnętrznej. Jednocześnie styk nieruchomy jest przymocowany do obudowy enkodera (ilustracja 4). Obracająca się tarcza kodowa sekwencyjnie ustanawia i przerywa kontakt z pojedynczymi stykami tarczy kodowej. Cykliczne łączenie i przerywanie obwodu generuje impulsy napięcia - jest to fundamentalny mechanizm konwersji ruchu obrotowego na sygnały elektryczne.

Ilustracja 4: wewnętrzna zasada działania enkodera mechanicznego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Należy koniecznie podkreślić, że enkodery mechaniczne zasadniczo działają jak układ łączników mechanicznych, dlatego w celu uzyskania użytecznego sygnału wyjściowego konieczne jest zastosowanie obwodów eliminacji odbicia styków. W idealnym świecie łącznik wykazuje jasno zdefiniowane stany włącz-wyłącz, jednak w rzeczywistości pojawiają się komplikacje. Łączniki mogą zawieszać się lub przeskakiwać pomiędzy tymi stanami, co skutkuje zniekształceniami sygnału. Zjawisko odbijania styków może być błędnie interpretowane jako dodatkowe impulsy, wprowadzając niedokładności do systemu.

Aby zneutralizować odbijanie styków, stosuje się obwód eliminacji odbicia styków (ilustracja 5). Obwody te mają za zadanie przywrócić przebieg prostokątny sygnału wyjściowego, zapewniając dokładną reprezentację pierwotnych stanów włączenia i wyłączenia, eliminując wpływ zjawisk zawieszania i odbijania styków. Dbałość o integralność sygnału ma znaczenie krytyczne dla niezawodności i precyzji działania enkoderów mechanicznych.

Ilustracja 5: obwód eliminacji odbicia styków, który przywraca przebieg prostokątny sygnału wyjściowego enkodera mechanicznego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Z drugiej strony enkodery optyczne zawierają trzy podstawowe komponenty: źródło światła, detektor światła oraz tarczę kodową. Poniżej przedstawiono ich działanie:

1. Źródło światła: komponent emitujący światło.
2. Detektor światła: umieszczony naprzeciwko źródła światła detektor wykrywa emitowane światło.
3. Tarcza kodowa: umieszczona między źródłem światła i detektorem tarcza kodowa posiada równomiernie rozmieszczone szczeliny. Szczeliny te naprzemiennie pozwalają światłu przechodzić lub blokują je.

Cykl roboczy polega na tym, że źródło światła świeci przez szczeliny w tarczy kodowej. Demodulator rejestruje zmiany natężenia światła, gdy szczeliny przepuszczają lub zasłaniają światło. Obwody wewnętrzne reagują na to włączając i wyłączając wyjście, zależnie od wykrycia lub zablokowania światła. Ten mechanizm pozwala enkoderom optycznym na skuteczne przekształcanie informacji o pozycji na sygnały elektryczne.

Ilustracja 6: wewnętrzna zasada działania enkodera optycznego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowując porównanie, enkodery mechaniczne są ekonomiczne, uniwersalne i mogą być stosowane w szerokim zakresie napięć. Wymagają jednak obwodów eliminacji odbicia styków w celu zapewnienia niezawodnych sygnałów, a także charakteryzują się krótszym cyklem życia. Z drugiej strony, enkodery optyczne są generalnie droższe, jednak charakteryzują się dłuższym cyklem życia. Dostarczają mniej zakłóconych sygnałów wyjściowych i nie wymagają obwodów eliminacji odbicia styków. Ponadto w zastosowaniach precyzyjnych, enkodery optyczne oferują wyższe rozdzielczości.

Podsumowanie

Enkodery do montażu tablicowego nadal będą znajdować zastosowanie w różnych interfejsach użytkownika w szerokiej gamie branż. Na optymalny dobór urządzenia wpływa dobra znajomość dostępnych technologii enkoderów, ich najistotniejszych specyfikacji oraz zagadnień projektowych. Firma Same Sky oferuje asortyment mechanicznych i optycznych enkoderów do montażu tablicowego, spełniających praktycznie wszelkie wymogi projektowe. Oprócz enkoderów do montażu tablicowego, firma Same Sky oferuje pojemnościowe enkodery obrotowe AMT, które zapewniają dokładność i trwałość niespotykane w innych technologiach enkoderów.