Вимірюючи параметри обертання: енкодери Bourns

1. параметри енкодерів
2. Огляд контактних серій енкодерів Bourns
3. Огляд серій оптичних енкодерів серій EM14 і EN
4. Огляд Серії магнітніх енкодерів EMS22
5. Висновок
6. література
7. Про компанію Bourns

У номенклатуру енкодерів, що випускаються компанією Bourns, входять вироби, виготовлені за трьома існуючими технологіями: контактні механічні (для побутових застосувань, а також для невідповідальних лабораторних і промислових додатків), безконтактні оптичні (для аудіотехніки, прецизійної вимірювальної, авіаційної і медичної техніки, відповідальних промислових застосувань), безконтактні магнітні (для сервоприводів, робототехніки та точних верстатів).

Енкодери - електромеханічні пристрої, що дозволяють перетворювати характеристики механічного руху в зручну для обробки форму електричних сигналів. Вони використовуються для визначення таких параметрів як кутове положення, напрямок, швидкість і частота обертання.

Мал. 1. Номенклатура енкодерів Bourns

Області застосування енкодерів великі: від промислових систем до медичних приладів. Кожне конкретне додаток висуває цілком певні вимоги до використовуваних енкодер. Компанія Bourns випускає широкий спектр енкодерів з різними характеристиками, які відповідають найвищим запитам (рисунок 1):

• контактні механічні, безконтактні оптичні, безконтактні магнітні;
• квадратурні, з виходами типу «напрямок / крок», абсолютні цифрові, абсолютні з ШІМ-виходом;
• з терміном служби до сотень мільйонів обертів;
• з дозволом до 1024 станів на оборот;
• з максимальною частотою до 10 000 оборотів в секунду;
• з рівнем пило- та вологозахищеністю до IP65;
• для створення «користувач-машина» (HM Interface) і «машина-машина» (MMI);
• для монтажу в отвори, для поверхневого монтажу, монтажу на блок з додатковим гнучким кабелем.

Найбільш популярними серіями поворотних енкодерів виробництва компанії Bourns є PEC11, PEC12, PEC16, PEL12, ECW, EAW, EPS, EMS22, EM14, EN (малюнок 2).

Мал. 2. Зовнішній вигляд найбільш популярних серій енкодерів Bourns

Переваги та недоліки енкодерів в значній мірі залежать від принципу їх дії. У загальному випадку енкодери ділять на два типи: механічні контактні і безконтактні. Безконтактні бувають двох видів: оптичні і магнітні.

Компанія Bourns виробляє енкодери всіх трьох типів:

• механічні контактні: PEC11 , PEC12 , PEC16 , PEL12 , ECW , EAW , EPS ;
• безконтактні оптичні: EM14 , EN ;
• безконтактні магнітні: EMS22 .

Розглянемо коротко принцип дії кожного з них.

Механічні контактні енкодери за принципом функціонування нагадують галетні перемикачі. Основними складовими частинами таких енкодерів є кодує елемент і ковзаючі контакти.

Кодує елемент являє собою загальний контакт складної форми. При повороті вала енкодера ковзаючі контакти переміщаються, періодично замикаючись на кодує елемент (загальний контакт).

Контактні квадратурні енкодери мають пару ковзають контактів (A і B). Вони виконані таким чином, що діаграми їх замикання на кодує елемент виявляються зсунутими на 90 ° (рисунок 3). По порядку проходження сигналів визначається напрямок обертання. За кількістю імпульсів можна судити про частоту обертів.

Мал. 3. Діаграми сигналів квадратурного енкодера

Квадратура енкодер може бути досить просто реалізований за допомогою оптичних схем.

Безконтактні оптичні енкодери. Конструкція приладів даного типу має на увазі використання декількох основних елементів (рисунок 4): джерел світла, що кодує диска, фотоприймачів.

Мал. 4. Структура оптичного енкодера

Кодовий диск має просвіти (вікна), через які може проникати світловий потік, створюваний джерелами світла (ІК-світлодіодами). Якщо світло пройшов через вікно на диску, то він фіксується фотоприймачем. Якщо світло не потрапляє у вікно - то він відбивається від диска і не фіксується приймачем.

При обертанні вала світловий потік періодично переривається диском і формує змінний вихідний сигнал приймача. Частота сигналу пропорційна частоті обертання валу.

В оптичних енкодер виробництва Bourns фотоприемники входять до складу спеціальної інтегральної схеми ASIC (Application-specific integrated circuit). Ця ІС перетворює сигнал приймачів в електричні вихідні сигнали (рисунок 4).

У разі квадратурного енкодера формуються два сигнали, зсунутих на 90 °.

Безконтактні магнітні енкодери. Прилади цього типу використовують ефект Холла, який полягає в утворенні різниці потенціалів на поверхні провідного матеріалу при протіканні через нього струму при наявності зовнішнього магнітного поля. Цей ефект був відкритий Едвіном Холом в 1879 році. Розглянемо його більш детально.

Як відомо, на електричний заряд, що рухається в магнітному полі, діє сила Лоренца, зміщуються заряд в напрямку, перпендикулярному напрямку струму (рисунок 5).

Мал. 5. Принцип дії магнітних енкодерів

Якщо помістити в магнітне поле провідну або напівпровідникову пластину і пропустити через неї струм, то під дією сили Лоренца електрони почнуть зміщуватися і накопичуватися на одній з поверхонь пластини. Дірки будуть накопичуватися на протилежній поверхні. Виникне різниця потенціалів.

У енкодер обертання валу призводить до зміни магнітного поля і відповідної зміни напруги датчика Холла. При постійному обертанні виникає синусоїдальна напруга. Електронна схема підсилює і перетворює цей сигнал в зручну для обробки форму. На базі датчиків Холла будують інкрементальні абсолютні ШІМ-енкодери.

Використання того чи іншого принципу функціонування багато в чому визначає значення експлуатаційних характеристик енкодерів.

параметри енкодерів

Енкодери мають безліч важливих електричних, метрологічних і експлуатаційних характеристик.

Типи вихідних сигналів енкодерів. За значенням вихідного сигналу енкодери Bourns діляться на чотири типи:

• Інкрементальні (квадратурні) енкодери. Для них вихідними сигналами є зсунуті одна відносно іншої прямокутні імпульси. Зрушення по фазі дозволяє визначати напрямок обертання.
• Енкодери з виходами «напрямок / крок». Такі прилади мають пару вихідних сигналів. Один з них кодує напрям, другий являє собою прямокутні імпульси з частотою, пропорційною частоті обертання.
• Абсолютні цифрові енкодери. Для них вихідним є двійковий код абсолютного положення вала. Розрядність коду, як правило, становить 4 ... 16 біт.
• Абсолютні енкодери з ШІМ-виходом. Вихідний сигнал таких приладів є ШІМ зі шпаруватістю, пропорційною абсолютного положення вала.

Максимальна частота обертання (Speed of Rotation), об / хв - максимальна частота обертання енкодера, при якій не відбувається втрата інформації. Контактні енкодери починають пропускати імпульси вже на частотах вище декількох десятків оборотів в хвилину. Безконтактні оптичні датчики ефективні на частотах до декількох тисяч об / хв. Магнітні енкодери здатні працювати на частотах до 10 000 об / хв і вище.

Зносостійкість або циклічність до збою (Rotational Life), оборотів, характеризує механічний знос приладу. Знос характерний для всіх типів енкодерів через наявність обертових частин.

Наявність зносу контактних груп призводить до того, що термін служби контактних енкодерів виявляється меншим у порівнянні з безконтактними приладами.

Роздільна здатність (Resolution Range). Для різних типів енкодерів роздільна здатність визначається по-різному:

• для квадратурних енкодерів і енкодерів з виходами «напрямок / крок» цей параметр характеризує число імпульсів на один оборот;
• для цифрових абсолютних енкодерів дозвіл визначається розрядністю вихідного коду;
• для абсолютних енкодерів з ШІМ-виходом дозвіл визначається розрядністю ШІМ.

Чим вище роздільна здатність, тим точніше можна визначити положення вала.

Діапазон робочих температур, ° С - важлива характеристика для більшості промислових додатків і автоелектроніки.

Рівень пило-та вологозахищеністю IP визначає можливість роботи в жорстких умовах навколишнього середовища.

Тип монтажу - пайка в отвори, поверхневий монтаж, монтаж на блок. Вибирається виходячи з вимог конкретного застосування.

Якісне порівняння енкодерів різних технологій. Області застосування енкодерів

Енкодери з різними принципами функціонування мають як переваги, так і недоліки. Це визначає області їх застосування. (Таблиця 1).

Таблиця 1. Порівняння і області застосування контактних і безконтактних енкодерів

Порівняння характеристик різних технологій енкодерів Параметр Додатки Контактні Безконтактні Автоелектроніка Медична техніка Вимірювальна техніка Професійні аудіопріложенія Промислові додатки Найгірше Найкраще Діапазон робочих температур HMHLM Найгірше Найкраще Температура зберігання HMHLM Найгірше Найкраще Максимальна частота обертання MMHMH Найгірше Найкраще Дозвіл MHMMM Найгірше Найкраще Термін служби HHMHH Краще Гірше Вартість - H - висока значимість параметра для додатка.
M - середня значимість параметра для додатка.
L - низька значимість параметра для додатка.

Механічні енкодери мають явні переваги: ​​низьку вартість виготовлення, просту схему включення, високу стійкість до статики.

Однак при проектуванні слід враховувати і деякі особливості. Механічний вплив при перемиканні призводить до зношування контактів і зростання їх опору. Термін служби механічних енкодерів не перевищує десятків тисяч обертів.

Необхідність створення механічних контактів в контактних датчиках обмежує роздільну здатність.

Максимальна частота обертання контактних енкодерів обмежена кількома десятками об / хв. На більш високих частотах для них характерний пропуск імпульсів.

Ще одним наслідком механічних перемикань є брязкіт контактів.

З усіх перерахованих параметрах безконтактні датчики мають явну перевагу: їх дозвіл досягає 16 біт, термін служби обмежується зносом підшипників і може перевищувати 100 млн. Поворотів, максимальна частота становить 10 000 об / хв. Однак слід враховувати їх високу вартість і чутливість до статики.

Аналіз вимог різних областей електроніки показує, що для контактних енкодерів оптимальним застосуванням будуть системи взаємодії «користувач-машина» (HMI):

• професійна і побутова аудіотехніка (ручки гучності, еквалайзери);
• побутова техніка (радіо, клімат-контроль);
• автомобільна техніка (магнітоли, приймачі, клімат-контроль);
• медична техніка (монітори стану пацієнта, лабораторне обладнання);
• вимірювальна техніка (осцилографи, блоки живлення, генератори);
• промислові системи управління (пульти операторів);

Безконтактні датчики використовуються в тих же областях, але для більш відповідальних додатків, менш критичних до вартості комплектуючих. Крім того, вони використовуються в MMI-системах, наприклад, для управління електродвигунами.

Огляд контактних серій енкодерів Bourns

Найбільш популярними серіями контактних енкодерів Bourns є PEC11x, PEC12 і ECW (таблиця 2).

Таблиця 2. Серії контактних енкодерів виробництва Bourns

параметр Найменування PEC11R PEC11L PEC11S PEC12R ECW PEC16 EPS PEL12S , PEL12D , PEL12T EAW Технологія Контактна Тип Інкрементальний Абсолютний Установчий діаметр, мм 12 11 12 12 22 16 22 12 22 Клас захисту IP40 IP40 IP40 IP40 IP40 IP40 IP40 IP40 IP40 Фіксація + + + + + + + + - Додатковий вимикач + + + + - + + + - матеріал вала Метал Пластик матеріал кріплення гайки Метал Пластик Метал Пластик Метал Пластик Монтаж В отвори SMD В отвори Дозвіл, імп / об 12, 18, 24 15, 20 15 12, 24 6, 9, 12, 24, 36 12, 24 6, 9, 12, 24, 36 24 128 Максимальне частота обертання, об / хв 60 60 60 100 120 100 120 100 120 Навантаження висновків, мА (В) 10 (5) 10 (5) 10 (5) 1 (5) 10 ( 10) 10 (5) 10 (12) 0,5 (5) 10 (10) Циклічність до збою, тисяч оборотів 30 100 15 30 200 200 200 60 50 Діапазон робочих температур, ° С -30 ... 70 -20 ... 80 -30 ... 70 -30 ... 70 -40 ... 85 -30 ... 70 1 ... 85 -10 ... 70 -40 ... 85

серії PEC11x мають найскромнішими характеристиками серед перерахованих сімейств. Для них максимальна робоча частота обертання не перевищує 60 об / хв.

серія PEC11R має виконання для монтажу в отвори. Максимальна роздільна здатність - до 24 імпульсів на оборот. Термін служби для таких енкодерів перевищує 30 тисяч обертів. Функціонувати вони можуть в діапазоні температур -30 ... 70 ° С.

PEC11S має схожі характеристики, але призначена для монтажу на плату. Мінімальний термін життя для таких енкодерів становить 15 тисяч обертів.

PEC11L призначена для монтажу в отвори і має збільшену зносостійкість - 100 000 оборотів.

серія PEC12R , порівняно з PEC11 , Має збільшену максимальну частоту обертання - 100 об / хв.

PEC16 відрізняється відмінною зносостійкістю, до 200 тисяч обертів, і високою максимальною частотою обертання.

EPS ідеально підійде для лабораторних блоків завдяки високій зносостійкості (до 200 тисяч) і високої роздільної здатності (до 36 імпульсів на оборот валу). Застосування в промисловій електроніці обмежено через вузького температурного діапазону (1 ... 85 ° С).

серія ECW має кращі серед перерахованих серій характеристики: робоча частота - до 120 об / хв, термін служби - 200 тисяч оборотів, роздільна здатність - до 36 імпульсів на оборот валу.

Окремо варто відзначити серії PEL12x і EAW .

PEL12x забезпечені додатковими світлодіодами, а в якості світловода використовується вал енкодера. Харчування світлодіодів проводиться за допомогою додаткових висновків. Електричні характеристики цих серій близькі до характеристик PEC11 і PEC12 . серія PEL12S випускається з одним світлодіодом (червоний, синій, зелений, оранжевий, білий). серія PEL12D випускається з двома світлодіодами (чотири комбінації сполучень квітів). серія PEL12T має три світлодіода комбінації RGB.

EAW - єдина контактна серія, яка реалізує абсолютний вимір положення. На виході енкодера формується 8-бітний код. При цьому, як і у випадку з іншими контактними енкодер, виходи виконані у вигляді сухих контактів, тобто повинні бути підтягнуті до напруги харчування.

Схема підключення контактних енкодерів Bourns досить проста (рисунок 6). Еквівалентна схема контактних квадратурних енкодерів є два паралельних ключа із загальним висновком (висновок С). Для фіксації замикань використовується підтяжка до напруги 5 В. Для серії EAW необхідна підтяжка всіх восьми вихідних ліній. Майже всі серії мають версії з додатковим вбудованим ключем.

Мал. 6. Схема підключення контактних квадратурних енкодерів Bourns

Контактні серії оптимізовані для побудови HMI-систем. Для таких систем невелика максимальна частота обертання і обмежений термін служби не є критичними параметрами. Зате ці енкодери мають можливість фіксації положень вала, додатковий вбудований вимикач і низьку вартість. Основними областями застосування серій є:

• аудіотехніка (ручки гучності);
• побутова електроніка (клімат-контроль);
• музичні інструменти (гітари, мікшери);
• вимірювальні лабораторні прилади (генератори, осцилографи);

Огляд серій оптичних енкодерів серій EM14 і EN

Серії оптичних енкодерів Bourns є чудовою альтернативою контактним серіям в додатках, що вимагають підвищеної чутливості, продуктивності і збільшеного терміну служби.

Оптичні енкодери EN і EM14 володіють усіма перерахованими властивостями (таблиця 3).

Таблиця 3. Серії безконтактних оптичних енкодерів Bourns

Параметр Найменування EM14 EN Технологія Оптична Тип Інкрементальний Установчий діаметр, мм 14 21 × 16 Клас захисту IP54 IP40 Фіксація + - Додатковий вимикач + - Матеріал вала Метал Ручка Метал Монтаж В отвори або за допомогою гнучкого кабелю Дозвіл, імп / об 8, 16, 32 , 64 25, 50, 64, 100, 125, 128, 200, 256 Максимальна частота обертання, об / хв 120 300; у версії з додатковим підшипником - до 3000 Рівень вихідних сигналів TTL, CMOS, HCMOS TTL, CMOS Циклічність до збою, мільйонів обертів 2 10 або 20

Серія EM14 є оптичним аналогом контактних серій. Максимальна частота для EM14 становить 120 об / хв, термін життя збільшений до 2 мільйонів обертів.

Ще однією перевагою EM14 є базове виконання IP54, що робить можливим застосування цієї серії в промислових додатках.

Енкодери EM14 ідеально підходять для побудови систем управління в різних областях електроніки:

• у професійній аудіотехніки (монітори, еквалайзери, гітарні підсилювачі);
• вимірювальної техніки (осцилографи, аналізатори спектра);
• авіаційної техніки (авіаційні навчальні симулятори, системи контролю авіатраффіка);
• промислової техніки (управління електродвигунами, промислові джойстики, пульти операторів);
• медичної техніка (УЗД, рентгенівські установки);

Серія EN має максимальний дозвіл до 256 імпульсів на оборот. Це дозволяє застосовувати дані енкодери не тільки для визначення напрямку і швидкості обертання, але і для визначення положення ротора електродвигунів і сервоприводів. Додаткова перевага серії EN - максимальна частота обертання до 3000 об / хв.

Використання підшипників дозволило збільшити термін служби до 200 мільйонів обертів

Ця серія застосовується в особливо чутливих додатках (професійна аудіотехніка), в промисловій та побутовій автоматизації (сервоприводи).

Оптичні енкодери живляться від напруги 5 В (рисунок 7). Вихідні сигнали каналів не вимагають підтяжки і мають рівень TTL / КМОП.

Мал. 7. Внутрішня схема оптичних енкодерів Bourns

Огляд Серії магнітніх енкодерів EMS22

серія EMS22 має всі переваги магнітних енкодерів: великим терміном життя, високою максимальною частотою обертання, відмінною роздільною здатністю (таблиця 4).

Таблиця 4. Серії безконтактних магнітних енкодерів Bourns

параметр Найменування EMS22A EMS22D EMS22P EMS22Q Технологія Магнітна Тип Абсолютний Напрямок / крок ШІМ Інкрементальний Установчий діаметр, мм 21 × 16 Клас захисту IP65 Фіксація - Додатковий вимикач - Матеріал вала Метал Ручка Метал Монтаж В отвори або за допомогою гнучкого кабелю Дозвіл, імп / об тисяча двадцять чотири станів 64, 128, 256, 512 1024 станів 64, 128, 256, 512 Максимальна частота обертання, об / хв 10 000 Рівень вихідних сигналів TTL, CMOS Циклічність до збою, мільйонів обертів 100 Діапазон робочих температур, ° С -40 ... 125

Існує чотири модифікації серії EMS22 , Що відрізняються типом вихідного сигналу.

• EMS22Q . Квадратурні енкодери. На виході енкодера формується пара, зсунутих на 90 ° прямокутних сигналів. Максимальна роздільна здатність становить 512 імпульсів на оборот.
• EMS22D - енкодери з вихідними сигналами «напрямок / крок». Максимальна роздільна здатність становить 512 імпульсів на оборот.
• EMS22A . Абсолютні енкодери. Формують 10-бітний код положення вала. Код передається по послідовному інтерфейсу. Можливо каскадирование енкодерів (рисунок 8).
• EMS22P . Абсолютні енкодери з ШІМ-виходом. На виході формують ШІМ-сигнал зі шпаруватістю, пропорційної положенню вала. Розрядність ШІМ - 10 біт.

Для всіх модифікацій напруга живлення складає 5 В, а рівень вихідних сигналів - TTL / CMOS.

Мал. 8. Схема підключення магнітних енкодерів Bourns серії EMS22A

Варто особливо підкреслити, що серії EMS22 створені в першу чергу для побудови MMI-систем. Вони володіють всіма необхідними для таких програм властивостями:

• високою максимальною частотою обертання до 10 000 обертів;
• великим терміном життя до 100 мільйонів обертів;
• відмінною роздільною здатністю;
• розширеним діапазоном робочих температур -40 ... 125 ° С;
• високим ступенем пило-та вологозахисту IP65.

Завдяки перерахованим якостям, EMS22 можуть застосовуватися в широким спектрі додатків, таких як управління безколекторними двигунами, сервоприводи, промислові джойстики, робототехніка; верстати (гільйотини, преси) і так далі.

Висновок

В даний час існує три основних технології енкодерів: контактні механічні, безконтактні оптичні, безконтактні магнітні. Безконтактні енкодери мають значну перевагу по терміну служби і максимальній частоті обертання. Однак механічні енкодери відрізняються низькою вартістю. Вибір конкретного типу приладу необхідно проводити з урахуванням вимог конкретного пристрою.

Компанія Bourns виробляє широкий спектр енкодерів, намагаючись забезпечувати розробників технологічно. У лінійці Bourns можна відшукати енкодери для практично будь-якого застосування.

КОМПЕЛ, як офіційний партнер Bourns, підтримує на складі найбільш популярні моделі енкодерів, надає технічну підтримку, зразки, спеціальні ціни і планові проектні поставки.

література

1. Sensors and Controls. SOLUTIONS GUIDE. Bourns, 2003.
2. Bourns® Rotary Encoders. Short Form Brochure. Bourns, 2011 року.
3. Encoders. DESIGN CONSIDERATIONS. TECHNICAL NOTE. Bourns 2010.
4. Bourns® Sensors & Controls. Model EM14 Brochure. Bourns, 2004.
5. Bourns® Model EMS22 Non-Contacting Magnetic Encoder. Sensors & Controls Product Brochure. Bourns, 2014.
6. Selecting the Appropriate Position Feedback Sensor for Factory Automation Valve Designs. WHITE PAPER. Bourns, 2011 року.
7. Bourns® Medical Industry Products. Focus Market Brochure. Bourns, 2007.
8. http://www.bourns.com/.

Отримання технічної информации , замовлення зразків , замовлення и доставка .

Про компанію Bourns

Компанія була заснована подружжям Marlan і Rosemary Bourns в 1947 році і почала свою діяльність в їх маленькому гаражі в Каліфорнії, США. Винахід одного з перших в світі мініатюрних потенціометрів було стимулом до перетворення їх крихітного бізнесу в глобальну корпорацію, що виробляє цілий спектр продуктів, які впливають майже на кожен аспект сучасної електронної промисловості. У 1952 році Bourns запатентував перший у світі підлаштування потенціометр під торговою маркою Trimpot®. ...Читати далі