Enkoderi su česti u proizvodima za kontrolu gibanja, a rotacijski enkoderi ključne su komponente petlji povratnih informacija za kontrolu gibanja, uključujući opremu za industrijsku automatizaciju i kontrolu procesa, robotiku, medicinsku opremu, energiju, zrakoplovstvo itd.
Kao uređaji koji pretvaraju mehaničko gibanje u električne signale, enkoderi daju inženjerima osnovne podatke kao što su položaj, brzina, udaljenost i smjer koji se mogu koristiti za optimizaciju performansi cjelokupnog sustava.
Optički, magnetski i kapacitivni tri su glavne tehnologije kodera dostupne inženjerima. Međutim, postoji niz čimbenika koje treba uzeti u obzir kako bi se odredilo koja je tehnologija najbolja za konačnu primjenu.
Ovaj članak će dati pregled tehnologija optičkih, magnetskih i kapacitivnih kodera, te ukratko raspravljati o prednostima i nedostacima svake tehnologije.
1. Optički koder
Optički enkoderi već su godinama popularan izbor na tržištu aplikacija za kontrolu pokreta. Sastoji se od LED izvora svjetla (obično infracrvenog izvora svjetla) i fotodetektora koji se nalaze s obje strane kodne ploče kodera.
Kodna ploča izrađena je od plastike ili stakla, s nizom prozirnih i neprozirnih linija ili utora raspoređenih u intervalima. Kada se kodni disk okreće, LED optički put blokiran je linijama ili utorima raspoređenim u intervalima na kodnom disku, generirajući tako dva tipična kvadratna vala A i B ortogonalna impulsa, koji se mogu koristiti za određivanje rotacije i brzine osi .
Tehnička analiza optičkih, magnetskih i kapacitivnih enkodera
Slika 1: Tipični A i B ortogonalni impulsi za optičke kodere, uključujući indeksne impulse (autor fotografije: CUI Devices)
Iako su optički koderi naširoko korišteni, još uvijek imaju nekoliko nedostataka. U prašnjavim i prljavim okruženjima kao što su industrijske primjene, onečišćenja se mogu nakupiti na kodnoj pločici, blokirajući tako prijenos LED svjetla do optičkog senzora.
Pouzdanost i točnost optičkog enkodera uvelike su pogođeni jer kontaminirani kodni disk može dovesti do diskontinuiteta ili potpunog gubitka kvadratnog vala.
LED diode imaju ograničen radni vijek i na kraju će izgorjeti, što dovodi do kvara kodera. Osim toga, stakleni ili plastični kodni diskovi skloni su oštećenjima uslijed vibracija ili ekstremnih temperatura, čime se ograničava primjenjivost optičkih kodera u teškim uvjetima rada; Sastavljanje u motor nije samo dugotrajno, već nosi i veći rizik od kontaminacije.
Konačno, ako je rezolucija optičkog enkodera visoka, on će trošiti više od 100 mA struje, što dodatno utječe na njegovu primjenu u mobilnim uređajima ili uređajima na baterije.
2. Magnetski enkoder
Magnetski enkoderi po strukturi su slični optičkim enkoderima, ali koriste magnetsko polje, a ne svjetlosnu zraku. Magnetski koderi zamjenjuju diskove s optičkim kodom s prorezima s diskovima s magnetskim kodom s razmaknutim magnetskim polovima koji se okreću na nizu senzora s Hallovim efektom ili senzora otpornosti.
Svako okretanje kodne pločice uzrokovat će reakciju ovih senzora, a rezultirajući signal će se prenijeti u prednji krug za kondicioniranje signala kako bi se odredio položaj osovine.
U usporedbi s optičkim koderima, magnetski koderi imaju prednost jer su izdržljiviji, otporniji na vibracije i udarce. Štoviše, izvedba optičkih kodera uvelike je ugrožena u slučaju kontaminanata kao što su prašina, prljavština i mrlje od ulja, dok to ne utječe na magnetske kodere, što ih čini idealnim za primjene u teškim uvjetima.
Međutim, elektromagnetske smetnje koje stvaraju motori (osobito koračni motori) imat će veliki utjecaj na magnetski koder, a promjene temperature također će uzrokovati pomicanje njegovog položaja.
Osim toga, razlučivost i točnost magnetskih kodera su relativno niske i daleko su manje od optičkih i kapacitivnih kodera u tom pogledu.
3. Kapacitivni koder
Kapacitivni enkoder sastoji se od tri glavna dijela: rotora, fiksnog odašiljača i fiksnog prijemnika. Kapacitivno očitavanje koristi trakasti ili linearni uzorak s jednim polom na fiksnom elementu i DRUGIM polom na POKRETNOM elementu kako bi se formirao promjenjivi kondenzator konfiguriran kao par prijamnika/odašiljača.
Rotor je ugraviran s uzorkom sinusnog vala koji proizvodi specifičan, ali predvidljiv signal dok se osovina motora okreće. Ovaj signal zatim pretvara ugrađeni ASIC kodera za izračunavanje položaja i smjera rotacije osi.
Tehnička analiza optičkih, magnetskih i kapacitivnih enkodera
Slika 2: Usporedba diskova kodera (autor fotografije: CUI Devices)
4. Kapacitivni koder
Kapacitivni enkoder radi na istom principu kao i digitalno pomično mjerilo, tako da pruža rješenje koje prevladava mnoge nedostatke optičkih i magnetskih enkodera.
Tehnologija temeljena na kapacitetu koja se koristi u liniji AMT kodera CUI Devices pokazala se vrlo pouzdanom i vrlo preciznom.
Budući da nisu potrebni LED ili linija vidljivosti, kapacitivni koderi mogu postići željene rezultate čak i kada naiđu na zagađivače iz okoliša koji mogu negativno utjecati na optičke kodere, kao što su prašina, prljavština i mrlje od ulja.
Osim toga, manje je osjetljiv na vibracije i ekstremno visoke/niske temperature od staklenih kodnih diskova koji se koriste u optičkim koderima.
Kao što je ranije spomenuto, kapacitivni enkoderi obično imaju duži vijek trajanja od optičkih enkodera jer LED diode ne izgaraju.
Kao rezultat toga, kapacitivni koder ima manju veličinu kućišta i troši manje struje u cijelom rasponu razlučivosti od samo 6 do 18 mA, što ga čini prikladnijim za aplikacije s baterijskim napajanjem.
Budući da su robusnost, točnost i razlučivost kapacitivne tehnologije veće od onih kod magnetskog kodera, elektromagnetske smetnje i električni šum s kojima se suočava potonji nemaju veliki utjecaj na njega.
Uz to, digitalna priroda kapacitivnih kodera nudi ključne prednosti u pogledu fleksibilnosti i mogućnosti programiranja. Budući da je razlučivost optičkog ili magnetskog enkodera određena pločom enkodera, svaki put kada su potrebne druge razlučivosti koristi se novi enkoder, što rezultira povećanjem vremena i troškova procesa dizajna i proizvodnje.
Međutim, kapacitivni enkoderi imaju niz programibilnih rezolucija, štedeći dizajnere od problema sa zamjenom enkodera svaki put kada je potrebna nova rezolucija, što ne samo da smanjuje zalihe, već i pojednostavljuje fino podešavanje PID regulacijske petlje i optimizaciju sustava.
Kapacitivni enkoderi omogućuju digitalno usklađivanje i indeksiranje postavki impulsa kada je uključen BLDC motor, zadatak koji se može ponavljati i oduzima puno vremena za optičke enkodere.
Ugrađene dijagnostičke mogućnosti daju dizajnerima daljnji pristup podacima o sustavu za optimizaciju sustava ili rješavanje problema na terenu.
Tehnička analiza optičkih, magnetskih i kapacitivnih enkodera
Slika 3: Usporedba ključnih pokazatelja učinka za kapacitivne, optičke i magnetske tehnologije (autor fotografije: CUI Devices)
5. Odvagnite svoje mogućnosti
U mnogim aplikacijama upravljanja kretanjem, temperatura, vibracije i zagađivači okoliša važni su čimbenici izazova s kojima se koderi moraju nositi. Ispostavilo se da kapacitivni koderi mogu prevladati te izazove.
U usporedbi s optičkim ili magnetskim tehnologijama, dizajnerima pruža pouzdana, precizna i fleksibilna rješenja.
Štoviše, kapacitivni koderi dodaju programabilnost i dijagnostiku, digitalnu značajku koja ih čini prikladnijima za moderne aplikacije Interneta stvari (IoT) i Industrijskog interneta stvari (IIoT).