Jaki rodzaj enkodera charakteryzuje się większą wytrzymałością? Może elektronika półprzewodnikowa?

Zastosowania enkoderów są wszechobecne - od walk robotów po łazik Mars Rover, od dużych pojazdów budowlanych po sprzęt do produkcji półprzewodników, a także w wielu zastosowaniach medycznych i wojskowych.

Krótko mówiąc, wszędzie tam, gdzie jest ruch, na pewno znajdzie się enkoder. Być może nie są tak spektakularne, jak produkty, których są częścią, ale są kluczowym elementem nowoczesnych, złożonych i czasem wymyślnych systemów regulacji ruchu.

Enkodery obrotowe są istotnymi elementami pętli sprzężenia zwrotnego w regulacji ruchu zastosowań z zakresu przemysłu, robotyki, lotnictwa, energetyki i automatyki. Muszą one pracować w ciężkich warunkach, są narażone na kurz, brud i tłuszcz, wahania temperatur oraz silne drgania.

Ponadto, zapotrzebowanie na enkodery obrotowe rośnie ze względu na zwiększone wykorzystanie bezszczotkowych silników prądu stałego (BLDC), co przynosi korzyści w zakresie kontroli, precyzji i wydajności. Zadanie enkodera jest proste - ma on wskazać sterownikowi systemu pozycję wału silnika. Dzięki tym danym, sterownik może precyzyjnie komutować uzwojenia silnika i określać prędkość, kierunek i przyspieszenie - parametry, które pętla sterowania ruchem musi utrzymywać, by zachować docelowe osiągi silnika. W zastosowaniach, w których używane są enkodery obrotowe, istnieje zapotrzebowanie na niezawodność, trwałość i zoptymalizowane działanie, co oznacza, że inteligentny enkoder obrotowy staje się coraz ważniejszy w większości zastosowań, które wymagają precyzyjnej regulacji ruchu.

Nowe podejścia wykorzystujące funkcje inteligentne otwierają nowe możliwości i opcje, które zmieniają obraz szarego, skromnego enkodera.

Choć enkodery obrotowe są bardzo istotne, często uważa się je za „głupie” urządzenia, które po prostu dostarczają sygnały impulsowe do sterownika wyższego poziomu. Użytkownicy enkoderów, którzy są raczej niechętni do wprowadzania zmian, mogą teraz bardziej zaufać takim technologiom, jak enkodery pojemnościowe. Zasady ich działania zostały w pełni przetestowane, a użytkownik może czuć się pewnie, dzięki widocznemu od kilku lat sukcesowi tych urządzeń na rynku.

Dzięki dodaniu do konstrukcji mikrokontrolera i niestandardowych układów ASIC, urządzenia te stały się bardziej wszechstronne i zapewniają możliwość szybkiej konfiguracji rozdzielczości, pozycji zerowej i liczby biegunów enkodera. Cyfrowe podejście do wykrywania ruchu zapewnia o wiele więcej korzyści i otwiera projektantom, stosującym obrotowe enkodery komutacyjne, drogę do zupełnie nowego poziomu inteligencji urządzenia.

Technologie enkoderów: czym wyróżniają się trzy rodzaje enkoderów

Trzy najbardziej znane metody pracy enkodera wykorzystują techniki optyczne, magnetyczne i pojemnościowe.

W układach optycznych zastosowano tarczę szczelinową z diodą LED po jednej stronie i fototranzystorami po drugiej. Tarcza obraca się i przerywa drogę światła… a impulsy wskazują kierunek i prędkość obrotu wału (ilustracja 1). Chociaż jest to tanie rozwiązanie, działanie enkodera optycznego pogarsza się wraz z pojawieniem się zanieczyszczeń takich jak brud, kurz i olej... a diody LED mają ograniczoną żywotność.

Ilustracja 1: oto układ tradycyjnego enkodera optycznego. (Źródło ilustracji: CUI Devices)

Konstrukcja enkodera magnetycznego jest podobna do konstrukcji enkodera optycznego, ale wykorzystuje pole magnetyczne, a nie wiązkę światła. Zamiast tarczy szczelinowej posiada dysk magnetyczny, który obraca się nad matrycą czujników magnetorezystancyjnych. Obrót koła wywołuje odpowiedź czujników, która przekazywana jest do przedniego obwodu sygnałowego w celu określenia pozycji wału. Choć enkodery magnetyczne są niezwykle trwałe, to nie są niestety tak dokładne i są podatne na zakłócenia magnetyczne z silników i napędów elektrycznych.

Enkodery pojemnościowe oferują wszystkie korzyści wynikające z konstrukcji optycznych i magnetycznych enkoderów, ale nie mają ich słabych punktów. Są one o wiele bardziej wytrzymałe, a także mało wrażliwe na cząstki stałe środowiska i zakłócenia magnetyczne. Enkoder pojemnościowy posiada dwa rzędy linii - jeden rząd na elemencie ruchomym, a drugi na elemencie stałym. Razem tworzą one zmienny kondensator skonfigurowany jako para urządzeń nadajnik-odbiornik (ilustracja 2). Enkoder obraca się, aby wymusić na zintegrowanym układzie ASIC zliczanie zmian w linii i dokonuje interpolacji w celu śledzenia kierunku ruchu wału silnika za pomocą standardowych wyjść kwadraturowych, jak również faz komutacji, używanych przez inne enkodery do sterowania silnikami BLDC.

Ilustracja 2:  czujnik pojemnościowy z rzędami kwadraturowymi i przebiegami wyjścioweymi. (Źródło ilustracji: CUI Devices)

Cyfrowe udoskonalenie sprzężenia zwrotnego enkodera

Enkodery pojemnościowe są bardzo wytrzymałe. Ponadto, w przeciwieństwie do enkoderów optycznych i magnetycznych, sygnał cyfrowy sprawia, że układ ten odpowiada potrzebom XXI wieku, co ułatwia rozwój, instalację, a nawet konserwację produktów.

Jedną z zalet jest możliwość regulacji rozdzielczości enkodera (ilość impulsów na obrót) bez konieczności przełączania się na dysk enkodera o wyższej lub niższej rozdzielczości. Zwiększa to elastyczność podczas rozwoju, gdy na celu mamy optymalizację pętli regulacji.

Cyfryzacja umożliwia również proste zerowanie w technologii „One Touch” w celu szybkiej i łatwej instalacji, a także wyrównania sygnałów komutacji z uzwojeniami silnika BLDC. W takim przypadku użytkownik blokuje wał w pozycji docelowej poprzez zasilenie odpowiednich faz silnika i nakazuje wyzerowanie enkodera w tej pozycji. Proces ten nie wymaga żadnych specjalnych narzędzi, a całość trwa kilka minut. Natomiast wyzerowanie enkodera optycznego lub magnetycznego (mechaniczne dostosowanie sygnałów komutacyjnych do uzwojeń silnika) jest skomplikowanym i frustrującym procesem, który może trwać nawet 20 minut.

Inteligentny system wbudowany w urządzenia serii AMT firmy CUI wraz z graficznym interfejsem użytkownika AMT Viewpoint, umożliwia również wewnętrzną diagnostykę, co przekłada się na szybszą analizę awarii w terenie, możliwość uruchamiania środków zapobiegawczych, takich jak „dobra” dla enkodera sekwencja testów oraz lepszy czas wprowadzenia produktu na rynek.

Takie dane diagnostyczne pomagają deweloperom podczas projektowania, ponieważ mogą oni wyeliminować enkoder z listy podejrzanych urządzeń podczas debugowania.

Ponadto, diagnostyka pomaga pracować w terenie, dając użytkownikom końcowym wgląd w stan techniczny enkodera przed awarią… i pomaga oddzielić zachowanie enkodera od analizy pracy silnika potrzebnej przy konserwacji. Dzięki temu można śledzić problemy takie jak niewspółosiowość lub zużycie łożysk. Wbudowana diagnostyka pozwala systemom sprawdzić, czy enkodery pracują przed włączeniem silników w krytycznych zastosowaniach regulacji ruchu, aby uniknąć ewentualnych uszkodzeń.

Inteligentne funkcje i łączność z IoT dla wszystkich typów enkoderów

Korzyści płynące ze stosowania enkoderów z serii AMT opartych na technologii pojemnościowej to coś więcej niż tylko poprawa wydajności i niezawodności. To inteligentna funkcjonalność oraz cały szereg programowalnych funkcji konfiguracyjnych i instalacyjnych. Technologia cyfrowa to kolejny krok w kierunku wykorzystania możliwości inteligentnego interfejsu, otwierający drogę do korzyści, których nie da się osiągnąć za pomocą tradycyjnych enkoderów.