Учебное пособие по квадратурным энкодерам. Как это работает?

Квадратурный энкодер — это инкрементный датчик с выходными сигналами в виде прямоугольных волн.

Квадратурный поворотный энкодер — наиболее часто используемое устройство для измерения углового положения. Давайте разберёмся, как возникают такие типы сигналов?

Читайте также: в чём разница между инкрементными и абсолютными энкодерами?

Существует множество типов энкодеров с различными принципами работы. Однако основной принцип взаимодействия сигналов остаётся весьма схожим. Рассмотрим появление импульсов на примере оптического квадратурного энкодера.

Сигнал квадратурного энкодера. Как это работает?

Поворотный датчик имеет диск (колесо), закреплённый на валу. На его поверхности в зоне соприкосновения расположены специальные метки. Эти метки прозрачные, а поверхность диска между ними выполнена из непрозрачного материала.

В случае линейного квадратурного энкодера вместо измерительного диска используется шкала. По ней перемещается специальный считывающий элемент (слайдер). Основной принцип работы остаётся тем же.

Импульс квадратурного энкодера в виде светового луча исходит от источника и, в зависимости от типа поверхности (прозрачная или непрозрачная), попадает или не попадает в приёмник (детектор).

У квадратурного инкрементного энкодера на диске имеются две отдельные точки, где этот процесс происходит. Существуют каналы обнаружения, которые действуют как детекторы сигнала. Обычно их называют канал A и канал B. Эти точки имеют отдельные входы и проводку. Следовательно, в один конкретный момент у устройства есть два приёмника сигнала.

Инкрементное измерение также требует опорной точки. Поэтому существует канал Z, который обозначает начальное (нулевое) положение.

В зависимости от того, попадает ли свет на прозрачную метку или на непрозрачную поверхность, приёмник фиксирует или не фиксирует сигнал. Это можно графически представить двумя диаграммами прямоугольной формы, также называемыми прямоугольными (square) волнами.

Квадратурное кодирование

Ротационный квадратурный энкодер — это цифровая микросхема (digital IC), поэтому он использует двоичный код. Прямоугольные волны отображают цифровые сигналы в высоком (1) и низком (0) состояниях. Двоичный код необходим для передачи данных через интерфейсы (например, USB) и протоколы в системы управления. Основные типы передачи данных уже описаны здесь: последовательный (Serial) vs параллельный (Parallel) интерфейс.

На рисунке приведена диаграмма работы энкодера при питании 5 В. Как видно, линии показывают низкий уровень 0 В (земля) и высокий уровень 5 В.

Как определяются положение и скорость?

Количество импульсов за один полный оборот диска зависит от числа меток на его поверхности. Этот принцип — основа определения разрешающей способности энкодера. Таким образом, два выходных сигнала характеризуют число импульсов за определённый промежуток времени. Используя эти значения, система управления может определить угловую скорость, пройденное расстояние и ускорение.

Разъясним основные понятия на диаграмме. Во-первых, есть понятие цикла, который состоит из 360 электрических градусов (обозначен буквой C). Буквой P обозначается ширина импульса. Это количество электрических градусов, в течение которых импульс достигает своего максимума в одном цикле. Наконец, фаза в нашем случае — это разность между центрами ширин импульсов обеих линий.

Иногда можно встретить графики с каналами (U, V, W). Эти интегрированные коммутационные сигналы имитируют датчики Холла. Такая особенность характерна для квадратурных энкодеров, применяемых в системах обратной связи бесщеточных (brushless) двигателей постоянного тока.

Как определяется направление движения?

Тем не менее колесо может вращаться в обе стороны. Как определить, что вращается сейчас? Это довольно просто. Для этого нужны две точки и две линии вместо одной. Как видно, оба контакта расположены последовательно.

Следовательно, если смотреть на две графические линии одновременно, видно, что они слегка сдвинуты. Выходные каналы A и B специально размещены на диске на определённом расстоянии так, чтобы их фазы на графике были сдвинуты на 90 градусов. Цикл также делится на 4 равные части для удобства расчётов. В каждой из этих частей графики занимают уникальные относительно друг друга положения.

Если энкодер движется вперёд (по часовой стрелке), линия A находится в верхней точке (1), а канал B — в нижней (0). Получается комбинация 1 и 0. Далее следуют 11, 00 и т.д.

Если начать с той же точки в другом направлении (против часовой стрелки), сначала линия будет в верхней точке (11), а затем последовательность комбинаций будет: 01, 00 и т.д.

Благодаря интерфейсу квадратурного энкодера (QEI), сравнивая разность точек в каждом периоде, мы получаем уникальный код, который показывает порядок поступления комбинаций битов. Микроконтроллер или счётчик положения может определить направление вращения диска, анализируя эти данные. После декодирования такая информация поступает в системы управления или отображается в привычном формате на дисплее. Представленная система — одна из самых простых. Мы предлагаем большой каталог энкодеров Eltra квадратурного типа. Ознакомьтесь!

Пока нет комментариев