Учебник по квадратурным энкодерам. Как это работает?

Квадратурный энкодер — это инкрементальный датчик с выходными сигналами в виде квадратных волн.

Квадратурный вращающийся энкодер — это наиболее часто используемое устройство для измерения углового вращения. Давайте разберемся, как возникают такие типы сигналов?

Читайте также: В чем разница между инкрементальными и абсолютными энкодерами?

Существует множество различных типов энкодеров с различными принципами работы. Тем не менее, основной принцип взаимодействия сигналов остается очень похожим. Рассмотрим появление импульсов на примере оптического квадратурного энкодера.

Сигнал квадратурного энкодера. Как это работает?

Вращающийся датчик имеет диск (колесо), который прикреплен к валу. На его поверхности в зоне контакта расположены специальные метки. Такие метки прозрачные, а поверхность диска между ними выполнена из непрозрачного материала.

В случае линейного квадратурного энкодера масштаб заменяет измерительный диск. Специальный считыватель (слайдер) перемещается вдоль него. Основной рабочий принцип остается тем же.

Импульс квадратурного энкодера в виде светового луча поступает из источника и, в зависимости от противоположного типа поверхности (твердой или непрозрачной), попадает или не попадает в приемник (детектор).

Квадратурный инкрементальный энкодер имеет два отдельных контакта на диске, где происходит этот процесс. Существуют каналы обнаружения, которые действуют как  детекторы сигналов. Их обычно называют каналом A и каналом B. Эти точки имеют отдельные входы и проводку. Поэтому устройство имеет два приемника сигнала в один конкретный момент.

Инкрементальное измерение также требует начальной точки. Поэтому существует Z-канал, который отображает начальную (нулевую) позицию.

В зависимости от того, попадает ли свет на прозрачную метку или непрозрачную поверхность, приемник захватывает или не захватывает сигнал. Это можно графически представить как две диаграммы с прямоугольной формой, также называемой квадратными волнами.

Квадратурное кодирование

Вращающийся квадратурный энкодер является цифровой ИС (интегральной схемой), поэтому он использует двоичный код. Квадратные волны показывают цифровые сигналы в высоком (1) и низком (0) состоянии. Двоичный код необходим для передачи данных через интерфейсы (например, USB) и протоколы для управляющих систем. Мы уже описали основные типы передачи данных здесь: последовательный и параллельный интерфейсы.

На рисунке показана схема работы энкодера с источником питания 5V. Как вы можете видеть, линии показывают низкое состояние 0V (земля) и высокое состояние 5V.

Как определяются положение и скорость?

Количество импульсов за один полный оборот диска зависит от количества меток на его поверхности. Этот принцип является основной характеристикой разрешения энкодера. Таким образом, два выходных сигнала характеризуют количество импульсов за определенное время. Используя эти значения, управляющая система может определить угловую скорость, расстояние и ускорение.

Давайте объясним основные понятия на диаграмме. Во-первых, у нас есть понятие цикла, который состоит из 360 электрических градусов (обозначается C). Буква P обозначает ширину импульса. Это количество электрических градусов, когда импульс достигает своей максимальной точки за один цикл. Наконец, фаза в нашем случае — это разница между центрами ширины импульсов обеих линий.

Иногда вы можете встретить графики с каналами (U, V, W). Эти интегрированные переключающие сигналы имитируют датчики Холла. Такая функция распространена для квадратурных энкодеров, которые используются в обратной связи бесщеточных двигателей постоянного тока.

Как определяется направление?

Тем не менее, колесо может вращаться в обоих направлениях. Как определить, в каком направлении оно вращается сейчас? Это довольно просто. Вот почему вам нужны две точки и две линии вместо одной. Как вы можете видеть, оба контакта расположены последовательно.

Следовательно, когда вы смотрите на две графические линии одновременно, вы можете увидеть, что они также немного смещены. Выходные каналы A и B специально расположены на диске на определенном расстоянии, чтобы их фазы на графике были смещены на 90 градусов. Цикл также делится на 4 равные части для удобства расчетов. В каждой из этих частей графики находятся в уникальных позициях друг относительно друга.

Если энкодер движется вперед (по часовой стрелке), линия A находится в самой высокой точке (1), а канал B — в самой низкой точке (0). Мы получаем комбинацию 1 и 0. Следующая комбинация — 11, 00 и т.д.

Если мы начинаем с той же точки в другом направлении (против часовой стрелки), мы видим, что сначала линия будет в самой высокой точке (11), а затем следующие комбинации: 01, 00 и т.д.

Благодаря интерфейсу квадратурного энкодера (QEI), сравнивая разницу точек в каждом периоде, мы получаем уникальный код, который указывает порядок, в котором получаются комбинации цифр. Микроконтроллер или счетчик положения могут определить, в каком направлении вращается диск, анализируя такие данные. После декодирования такая информация поступает в управляющие системы или отображается в обычном формате на дисплее. Представленная система является одной из самых простых. Мы предлагаем большой каталог квадратурных энкодеров Eltra. Ознакомьтесь с ним!

Пока нет комментариев