Важные критерии при выборе энкодера

Функциональные возможности, конструктивные особенности, применяемые материалы и технологии изготовления абсолютных оптических и магнитных энкодеров вращения производства. Энкодер вращения — оптический или магнитный? Перевод публикации интервью в журнале «Конструктор» с соучредителем группы компаний Fraba на тему магнитной технологии.

На что обращать внимание при выборе энкодера?

Надежность энкодера — это очень важно!

От надежности работы энкодера зависит надежность и качество работы как вашего комплексного оборудования, так и производства в целом. Так, потери от непредвиденных остановок производственной линии могут оказаться несоизмеримо высокими по отношению к сэкономленным на приобретении энкодеров средствам. Сюда входят потери рабочего времени персонала, повреждение производственного материала и оборудования, затраты на диагностику/поиск неисправности, ремонт/замену вышедшего из строя энкодера и последующую юстировку и испытание/запуск оборудования.

При подборе энкодера также важно обращать внимание на его технические характеристики. Некоторые производители заявляют о высоком разрешении, однако очень часто подразумевается не физическое, а интерполированное разрешение. Разумеется, точности и допустимой нелинейности от таких энкодеров ожидать не приходится и, в ряде случаев, значения этих характеристик недостаточны для работы энкодера в составе прецизионного оборудования. При подборе энкодера очень важно сделать выбор в пользу проверенного качества.
Учитывая вышеперечисленное, мы настоятельно рекомендуем серьезно подходить к подбору энкодера. Бесперебойная работа оборудования в течение длительного времени и имидж Вашей компании только в Ваших руках!

Представленные в нашей программе поставок абсолютные оптические и магнитные энкодеры вращения разрабатываются и производятся компанией Posital Fraba, которая является мировым лидером в производстве сенсоров позиционирования и первооткрывателем метода абсолютного позиционирования угла поворота. Продукция немецкого производителя Posital Fraba отличается высшим качеством, гарантией которого явился многолетний (более 80-лет!) опыт производства абсолютных энкодеров. Для задач позиционирования − от автоматизации на производстве до мобильной техники − необходима точная и актуальная информация о положении того или иного механического узла.
Абсолютные энкодеры регистрируют малейшие перемещения и преобразуют их в цифровой сигнал. Способность абсолютных энкодеров точно и быстро регистрировать угловое и линейное перемещение делает их важнейшим связующим звеном между механикой и системой управления. В ассортименте Posital широкий спектр механических исполнений энкодеров со всеми распространенными видами интерфейсов.

Материалы, технологии и опыт производителя

Высокие требования к применяемым материалам с учетом разных коэффициентов температурного расширения, применение подшипников проверенных поставщиков, специальные технологии выборки люфтов — это все влияет на такие важные параметры энкодера, как плавность и легкость вращения вала, долговечность и стабильность механических параметров. Еще в 1970 году ФРАБА разрабатывает первый в мире опто-электронный датчик углового положения и начинает его производство. Большой опыт работы и современные технологии производства делают продукцию этой компании непревзойденной по таким важным параметрам как: высокая надежность, низкие цены и кратчайшие сроки поставок. С годами у производителя, особенно у производителя концентрирующегося на производстве узкой линейки продукции, в данном случае производстве абсолютных энкодеров, за плечами оказываются колоссальный опыт, свои наработки и секреты.
Ниже представлены технологии лежащие в основе абсолютных энкодеров производства Posital Fraba, их отличия и особенности.

Оптические энкодеры

Современный абсолютный оптический энкодер является чрезвычайно сложным устройством. При разработке оптического энкодера с высоким разрешением разработчики сталкиваются с большим количеством противоречащих друг-другу факторов, сильно влияющих на точность и надежность работы энкодера в течение длительного времени.

Принцип оптического измерения

Ключевым компонентом оптических энкодеров является установленный на валу кодовый диск. Этот диск изготовлен из прозрачного материала, имеющего концентрический рисунок из прозрачных и непрозрачных участков. Инфракрасный свет от светодиода попадает через кодовый диск на ряд фоторецепторов. По мере поворота вала уникальная комбинация фоторецепторов освещается светом, прошедшим сквозь рисунок на диске. Для многооборотных моделей существует дополнительный набор кодовых дисков, установленных в зубчатом механизме. По мере поворота главного вала датчика эти диски, находящиеся в зацеплении друг с другом, вращаются наподобие механизма счетчика километража. Положение вращения каждого диска контролируется оптически, а выход представляет собой информацию о количестве оборотов вала энкодера.

Функциональные возможности

Оптические абсолютные энкодеры IXARC POSITAL используют высокоинтегрированную технологию Opto-ASIC, обеспечивающую разрешение до 16 бит (65536 шагов) за оборот. Для многооборотных моделей диапазон измерения увеличивается за счет механически зацепляемых кодовых дисков до 16384 (214) оборотов.

Преимущества оптических энкодеров

Оптические энкодеры обеспечивают очень высокое разрешение и точность, а также превосходные динамические характеристики, и подходят для использования в зонах с интенсивными магнитными полями. Поскольку вращение кодовых дисков представляет собой полностью механический процесс, эти устройства не могут потерять информацию об абсолютном положении в случае временного отключения питания прибора. Резервные батареи не требуются!

Конструкция энкодера

Основной проблематикой является наличие в одной конструкции большого количества механических, оптических и электронных взаимодействующих, но совершенно разных по природе компонентов. Так, механика имеет склонность к механическому износу. А на качество оптических элементов влияют в первую очередь такие факторы, как загрязнение, тускнение, изменение интенсивности излучения. Высокое разрешение энкодера требует использования оптического диска с высокой плотностью нанесенного на него трафарета. Для оптического/физического разрешения (а не интерполированного!) в 12 бит требуется диск с секторами делящими окружность на 4096 частей/меток. Чем компактнее энкодер и меньше диаметр диска, тем выше требования к оптике энкодера. Для распознавания такой плотности рисунка на диске необходимо располагать считывающую матрицу в непосредственной близости к диску. Минимальный зазор между вращающимся диском и считывающей матрицей предъявляет очень высокие требования к механике. Минимальное биение/люфт вала приведет к соприкасанию при вращении диска с считывающей матрицей и, как следствие, к повреждению нанесенного на диск трафарета. Износ механических частей энкодера или негерметичность корпуса ведет также к загрязнению оптики продуктами износа и попадающей снаружи пыли и, как следствие, искажению результатов измерения. Оптический диск является важным узлом энкодера. Под воздействием времени, перепадов температуры и мн. др. факторов свойства материала диска могут со временем меняться, например тускнеть и деформироваться. Первый фактор, в сочетании с теряющим интенсивность светодиодной подсветки, резко может снизить надежность работы и/или вызвать полный отказ в работе. Второй фактор может вызвать опасность соприкасания диска с матрицей при вращении вала энкодера с теми же вытекающими последствиями.

Магнитные энкодеры

Принцип магнитных измерений

Магнитные энкодеры определяют угловое положение с использованием магнитно-полевой технологии. Постоянный магнит,установленный на валу энкодера, создает магнитное поле, которое измеряется датчиком, формирующим уникальное значение абсолютного положения.

Инновационная многооборотная технология

Многооборотные магнитные энкодеры IXARC POSITAL используют инновационную технологию для отслеживания количества оборотов, даже если оборот произошел при отключенном питании системы. Для выполнения этой задачи энкодеры преобразуют вращение вала в электрическую энергию. Технология основана на эффекте Виганда: когда постоянный магнит на валу энкодера поворачивается на определенный угол, магнитная полярность в „проводе Виганда“ резко меняется, создавая кратковременный всплеск напряжения в обмотке, окружающей провод. Этот импульс отмечает поворот вала, а также обеспечивает питание электронной цепи, регистрирующей данное событие. Эффект Виганда происходит в любых условиях, даже при очень медленном вращении, и исключает потребность в резервных батареях.

Преимущества магнитных энкодеров

Магнитные энкодеры являются надежными, долговечными и компактными. Конструкция, не требующая использования батарей и не имеющая зубчатых передач, обеспечивает механическую простоту и более низкую стоимость по сравнению с оптическими энкодерами. Их компактные габариты позволяют использовать их в очень ограниченном пространстве.

Энкодер вращения — оптический или магнитный?

Этот вопрос однажды задали соучредителю группы компаний «Fraba» (он же директор компании Posital) в интервью журнала «Конструктор» при обсуждении темы внедрения новой магнитной технологии при производстве энкодеров вращения.
Ниже перевод публикации этого интервью.

Что говорят специалисты в отношении новой магнитной технологии?

Перевод публикации интервью с соучредителем группы компаний «Fraba» по теме внедрения новой магнитной технологии при производстве энкодеров вращения

Энкодеры вращения преобразуют угол поворота вала в электрический сигнал и работают на оптическом или магнитном принципе действия. Оптические энкодеры измеряют точнее, а магнитные по конструкции более стабильные и прочные — таково распространенное мнение. Соответствует ли это действительности на самом деле? Редакция журнала „Конструктор“ взяла интервью у соучредителя группы компаний «Fraba» и компании-производителя «Posital» с 50-и летним стажем разработки и производства абсолютных энкодеров из г. Кёльна.

Господин Лезер, являются ли на самом деле оптические энкодеры точнее магнитных?

Однозначно нет. В настоящее время оптические энкодеры больше не опережают магнитные по точности. Технология магнитных энкодеров в последние годы позволила полностью перекрыть разрыв с оптической в отношении всех важных электрических параметров. Выпускаемые сегодня магнитные энкодеры уже достигают разрешения 16 бит при точности 0,09° и, таким образом, такие параметры, которые раньше были достижимы только оптическими энкодерами. Касательно оптических энкодеров мы говорим с позиции производителя абсолютных оптических энкодеров с 50 летним опытом работы. Оптические энкодеры мы производим начиная с 1963 года и это всегда являлось нашей основной специализацией. В 2013 году произошел настоящий переворот в соотношении технологий, когда был представлен магнитный энкодер достигающий по всем ключевым параметрам традиционные оптические системы.

Что позволило так значительно повысить возможности магнитных энкодеров?

Залогом успеха явился технологически качественный скачок, в котором важную роль сыграла удачная комбинация аппаратной и программной части магнитной системы.
Магнитные энкодеры нового поколения базируются на датчиках Холла, аналоговые сигналы которых обрабатываются быстрым 32-битным микроконтроллером в режиме реального времени. Сложные программные алгоритмы, разработанные специально для новых хай-тек чипов нашими IT-специалистами, обеспечивают прецизионную калибровку и гарантируют высочайшую точность новой серии магнитных энкодеров.

А в технологии оптических энкодеров имеется также прогресс в дальнейшем развитии, например, в отношении чувствительности к влажности, загрязнению, к ударным нагрузкам и вибрациям?

Также и здесь есть дальнейшее развитие, однако без значительных скачков достигаемых результатов. Принципиально эта технология применяется в таком виде, как она существовала 50 лет назад. Сегодняшние оптические энкодеры меньше в размерах, имеют большее разрешение и частично механически прочнее и стабильнее прошлого поколения энкодеров. Однако в основе лежащая проблематика в отношении чувствительности к влажности, загрязнению и механическим воздействиям остаются и сегодня. Оптические системы по своей природе чувствительны ко всему, что может препятствовать надежной передаче сигнала от источника света на пути к чувствительным фото-рецепторам. В этом отношении магнитные энкодеры всегда были впереди. Будь то пыль, туман или сильная тряска — ничто не в состоянии так быстро нарушить работоспособность магнитного энкодера.

И все таки, имеются ли случаи применения, где оптические энкодеры предпочтительнее магнитных, например, в отношении устойчивости к магнитным полям?

Помехоустойчивость магнитных энкодеров у нас под надежным контролем благодаря специальным механизмам экранирования от магнитных полей. Даже в непосредственной близости от таких сильных источников помех, как электронного тормоза электродвигателя, наши магнитные энкодеры работают без проблем. Таким образом также и в вопросе магнитной устойчивости оптические энкодеры уже не имеют никаких преимуществ. Мы рассматриваем оптические энкодеры лишь в качестве дорогого решения для задач, где необходимо экстремально высокое разрешение, скажем, в 20 бит в обороте. В большинстве же случаев точность магнитных энкодеров предостаточна.

Какая технология энкодеров дает больше свободы машиностроителям в проектировании?

Магнитные энкодеры предлагают ощутимо больше возможностей и свободы в проектировании. Они значительно компактнее и легче оптических, которые в многооборотных моделях значительно массивнее магнитных за счет наличия в конструкции достаточно габаритного редуктора состоящего из нескольких оптических дисков. Магнитные энкодеры благодаря своей компактности позволяют их встраивать в очень ограниченные пространства машины или другого оборудования. Ну и очередной не малозначимый положительный фактор — более бюджетная цена. Одним словом совсем не удивительно, что магнитные энкодеры являются сейчас основным трендом и это признает большинство наших конкурентов.