info@zanustechnology.com
+381 11 454 10 51

Izbor enkodera – opšte smernice

Izbor enkodera – opšte smernice

Povratna sprega se u većini drajverskih aplikacija sa manjim motorima zatvara uz pomoć digitalnih inkrementalnih enkodera. U seriji blogova bavićemo se aspektima optimalnog izbora enkodera, a ovaj prvi blog daje rekapitualciju osnovnih karakteristika enkodera o kojima treba voditi računa, dok će se naredni blogovi fokusirati na optimalan izbor u aplikacijama kontrole brzine i pozicije.

Šta su tipični zahtevi?

Svaka aplikacija je priča za sebe. Osnovni zadatak može biti kontrola pozicije ili brzine. Pre izbora enkodera, najpre je potrebno definisati stepen neophodne tačnosti u regulaciji brzine ili pozicije. Kontrola brzine sa tipično niskim brzinama (ispod 100 rpm) zahteva veću rezoluciju nego kontrola brzine za velike brzine (preko 1000 rpm).   

Opterećenje može biti direktno spregnuto sa osovinom motora ili može postojati transmisioni sistem kao što je reduktor, špindla, kaišni prenos i slično. Enkoderi se najčešće montiraju na osovinu motora, ali nekada mogu biti montirani i na strani opterećenja. Mehaničke osobine eventualnog mehaničkog mehanizma za transmisiju utiču na izbor enkodera: prenosni odnos reduktora i njegov mehanički zazor (backlash) moraju biti uzeti u obzir.

Uslovi sredine kao što su temperatura, vibracije, elektromagnetne interferencije takođe mogu imati uticaj na izbor enkodera. Optički enkoderi na primer moraju biti zaštićeni od prašine. Magnetni enkoderi mogu biti osetljivi na eksterna magnetna polja (uključujući i ono koje generiše motor) i moguće da im je potreban šilding.

Šta su ključne karakteristike inkrementalnih enkodera?

Karakteristični parametar koji daje informaciju o rezoluciji inkrementalnog enkodera je broj kvadratnih pulseva (četvrtki) po jednoj punoj revoluciji enkodera. Najčešće postoje dva kanala koji isporučuju jednk broj pulseva po revoluciji. Ova dva signala su najčešće fazno pomerena za ¼ dužine pulsa. Ovo omogućava detekciju smera rotacije i rezultuje u 4 jedinstvena stanja po pulsu. Ova stanja se nekada nazivaju quadkautima. Broj quadkaunta po krugu zapravo predstavlja pravu rezoluciju enkodera koja je 4 puta veća nego broj pulseva po jednom kanalu. Enkoder sa 1000 cpt (pulseva po krugu) ima 4000 stanja (quadkaunta) po krugu, odnosno rezoluciju od 360°/4000 = 0.09°.

Rezolucija enkodera može da varira u veoma širokom opegu od enkodera sa jako malom rezolucijom od 1 cpt (ili samo 4 stanja) koji se koriste za prostu detekciju kretanja, pa sve do enkodera sa nekoliko desetina hiljada cpt za zadatke sa jako preciznom regulacijom pozicije ili brzine. Mnogi faktori određuju maksimalnu moguću rezoluciju enkodera, to mogu biti fizički porincip rada (optički, magnetni, induktivni …), tip signala za komunikaciju (digitalin ili analogni), način obrade signala (interpolacija na primer), kao i način samog mehaničkog montiranja enkodera. Tema ovog bloga nije sama konstrukcija enkodera, već kako izabrati enkodere u praksi da bi se zadovoljili zahtevi za performansama u kontroli brzine ili pozicije.  

Slika 1: Tipični signali inkrementalnog enkodera

Koliko su tačni enkoderi?

Rezolucija – broj stanja – daje nominalnu tačnost, pozicija je poznata sa greškom od jednog stanja. Kako god, dužine impulsa enkodera mogu varirati zbog mehaničkih tolerancija (kao što su nesavršenost osovine, dužina magnetnih polova i drugo). Impulsi u jednom opsegu rotacije motora mogu biti kraći od impulsa u drugim opsezima. Kao rezultat izmerena pozicija odstupa od realne pozicije na periodičan način u toku jedne revolucije motora.

Na slici 2 dat je primer izmerene nelinearnosti magnetnog enkodera sa 256 cpt. Odstupanje od savršene pozicije je prikazano kao funkcija signala enkodera (1024). Dijagram se sastoji od 25 merenja 1 obrta. Jasno se vidi da se odstupanje ponavlja nakon jednog obrta. Odstupanje od prosečne apsolutne pozicije je oko +/- 0.45° ili u slučaju INL-a oko 0.9°. Za zadatu poziciju enkodera šum signala (džiter) je oko 0.3° što odgovara upravo promeni jednog stanja (360° / 1024 = 0.35°).

Slika 2: Izmerena nelinearnost magnetnog enkodera sa 256 cpt

Maksimalno odstupanje (od pika do pika) naziva se Integrisana Ne-Linearnost (INL). INL je važna u aplikacijama koje zahtevaju apsolutnu tačnost pozicije. Ponovljivost, tj. dostizanje uvek istih pozicija za zadat set vrednosti, nije pogođena INL-om. Ponovljivost je pre pitanje signala džitera koji obično iznosi manje od 1 stanja.

Inkrementali enkoder i apsolutna pozicija?

Inkrementalni enkoderi daju samo promenu pozicije. Za apsolutno pozicioniranje, referentna pozicija se prvo mora utvrditi. Ovo se postiže tako što se mehanizam pokrene do eksterne reference. To može biti mehanički završetak ili granični prekidač.

Neki enkoderi imaju treći kanal sa jednim impulsom po obrtaju. Ivice ovih indeksnih kanala daju apsolutnu poziciju reference u okviru jednog obrtaja. Ograničena tačnost eksterne reference može se poboljšati pomoću dodatnog pokreta do jende od ivica indeksnog kanala. Treba imati na umu da indeksni kanal nije preduslov za pozicioniranje. Zapravo, proizvođači mašina pokušavaju da izbegnu korišćenje indeksa za reference zato što to zahteva novu kalibraciju ako jedinica motor-enkoder treba da se zameni. Dalje, neki kontroleri koriste indeksni kanal da unakrsno provere signal enkodera i nadgledaju brojač enkodera po obrtaju.

Slika 3: Unapređenje tačnosti referentne pozicije pomoću dodatnog pokreta do ivice indeksnog kanala signala

Šta treba posmatrati kada prenosimo signal?

Linijski drajveri se preporučuju za prenos preko dugih linija i za bolji kvalitet signala. Za pozicioniranje, linijski drajver je gotovo obavezan kako bi se izbeglo propuštanje impulsa enkodera.

Linijski drajveri generišu invertovane signale (Ā, B̄, Ī) za svaki kanal (A, B, I). Svaki par signala se prenosi zajedno čime se filtriraju bilo kakve elektromagnetne smetnje tokom prenosa signala. Kao propratna beneficija, kvalitet signala je poboljšan, ivice signala su jasnije definisane i drajverska funkcija omogućava prenos signala na duže distance (do 30m).

Enkoderima je potrebno minimalno napajanje. Na dugim linijama enkodera, linijska otpornost i odgovarajući napon opadaju, pa to može biti problem. Zbog ovoga treba proveriti poprečni presek kabla i napon napajanja.

Uslovi okruženja i robusnost

Standardni opseg radne temperature enkodera je od -30°C do +100°C. Ovo pokriva većinu aplikacija i toplotu proizvedenu od strane motora.

U aplikacijama gde su veoma izražene vibracije i mehanički udarci, robusno mehaničko kućište i dobro oslobođenje od naprezanja kablova su važni.

Dok su optički enkoderi manje osetljivi na elektromagnetne smetnje, magnetnim enkoderima treba dobra zaštita od zalutalih magnetnih polja. Ako kućište nije dobro zatvoreno i usko, optički enkoderi su osetljivi na prašinu.

U nekom od sledećih blogova preciznije ćemo se pozabaviti izborom enkodera za pozicioniranje i za kontrolu brzine.

Ukoliko imate bilo kakav zahtev na polju drajvera, senzora, aktuatora ili elektromotora, pišite nam na info@zanustechnology.com .

Tags: