Enkodirniki so pogosti v izdelkih za nadzor gibanja, rotacijski dajalniki pa so ključni sestavni deli povratnih zank za nadzor gibanja, vključno z opremo za industrijsko avtomatizacijo in nadzorom procesov, robotiko, medicinsko opremo, energijo, vesoljstvom itd.
Kot naprave, ki pretvarjajo mehansko gibanje v električne signale, kodirniki inženirjem zagotavljajo osnovne podatke, kot so položaj, hitrost, razdalja in smer, ki jih je mogoče uporabiti za optimizacijo delovanja celotnega sistema.
Optični, magnetni in kapacitivni so tri glavne tehnologije kodirnikov, ki so na voljo inženirjem. Da bi ugotovili, katera tehnologija je najboljša za morebitno uporabo, je treba upoštevati številne dejavnike.
Ta članek bo podal pregled tehnologij optičnih, magnetnih in kapacitivnih kodirnikov ter na kratko razpravljal o prednostih in slabostih vsake tehnologije.
1. Optični kodirnik
Optični kodirniki so že vrsto let priljubljena izbira na trgu aplikacij za nadzor gibanja. Sestavljen je iz svetlobnega vira LED (običajno vir infrardeče svetlobe) in fotodetektorja, ki sta nameščena na obeh straneh kodne ploščice kodirnika.
Kodna ploščica je izdelana iz plastike ali stekla, z vrsto prozornih in neprozornih črt ali rež, razporejenih v intervalih. Ko se kodna plošča vrti, optično pot LED blokirajo črte ali reže, razporejene v intervalih na kodni plošči, s čimer se ustvarita dva tipična kvadratna vala A in B pravokotna impulza, ki ju je mogoče uporabiti za določanje vrtenja in hitrosti osi .
Tehnična analiza optičnih, magnetnih in kapacitivnih dajalnikov
Slika 1: Tipični ortogonalni impulzi A in B za optične kodirnike, vključno z indeksnimi impulzi (avtor fotografije: CUI Devices)
Čeprav se optični kodirniki pogosto uporabljajo, imajo še vedno nekaj pomanjkljivosti. V prašnih in umazanih okoljih, kot je industrijska uporaba, se lahko onesnaževalci naberejo na kodni plošči in tako blokirajo prenos svetlobe LED do optičnega senzorja.
Zanesljivost in natančnost optičnega kodirnika je močno prizadeta, ker lahko kontaminirana kodna plošča povzroči prekinitev ali popolno izgubo kvadratnega vala.
LED diode imajo omejeno življenjsko dobo in bodo sčasoma izgorele, kar bo povzročilo okvaro kodirnika. Poleg tega so stekleni ali plastični kodni diski nagnjeni k poškodbam zaradi vibracij ali ekstremnih temperatur, kar omejuje uporabnost optičnih kodirnikov v težkih okoljskih aplikacijah; Sestavljanje v motor ni samo zamudno, ampak prinaša tudi večjo nevarnost kontaminacije.
Nazadnje, če je ločljivost optičnega kodirnika visoka, bo porabil več kot 100 mA toka, kar dodatno vpliva na njegovo uporabo v mobilnih napravah ali napravah na baterije.
2. Magnetni kodirnik
Magnetni dajalniki so po strukturi podobni optičnim dajalnikom, vendar uporabljajo magnetno polje namesto svetlobnega žarka. Magnetni kodirniki nadomeščajo optične kodne diske z režami z magnetnimi kodnimi diski z razmaknjenimi magnetnimi poli, ki se vrtijo na vrsti senzorjev Hallovega učinka ali senzorjev upora.
Kakršno koli vrtenje kodne plošče bo povzročilo odziv teh senzorjev, nastali signal pa bo poslan v sprednji tokokrog za kondicioniranje signala, da se določi položaj gredi.
V primerjavi z optičnimi dajalniki imajo magnetni dajalniki to prednost, da so bolj trpežni, odporni na tresljaje in udarce. Poleg tega je delovanje optičnih dajalnikov močno ogroženo v primeru kontaminantov, kot so prah, umazanija in oljni madeži, medtem ko to ne vpliva na magnetne dajalnike, zaradi česar so idealni za uporabo v težkih okoljih.
Vendar bodo imele elektromagnetne motnje, ki jih ustvarjajo motorji (zlasti koračni motorji), velik vpliv na magnetni dajalnik, temperaturne spremembe pa bodo povzročile tudi premikanje njegovega položaja.
Poleg tega sta ločljivost in natančnost magnetnih dajalnikov razmeroma nizki in sta v tem pogledu veliko nižji od optičnih in kapacitivnih dajalnikov.
3. Kapacitivni kodirnik
Kapacitivni kodirnik je sestavljen iz treh glavnih delov: rotorja, fiksnega oddajnika in fiksnega sprejemnika. Kapacitivno zaznavanje uporablja trak ali linearni vzorec z enim polom na fiksnem elementu in DRUGIM polom na GIBALNEM elementu, da tvori spremenljivi kondenzator, konfiguriran kot par sprejemnikov/oddajnikov.
Rotor je vgraviran s sinusnim vzorcem, ki proizvaja specifičen, a predvidljiv signal, ko se gred motorja vrti. Ta signal nato pretvori vgrajeni ASIC kodirnika za izračun položaja in smeri vrtenja osi.
Tehnična analiza optičnih, magnetnih in kapacitivnih dajalnikov
Slika 2: Primerjava kodirnih diskov (avtor fotografije: CUI Devices)
4. Kapacitivni kodirnik
Kapacitivni kodirnik deluje po enakem principu kot digitalno merilno pomično merilo, zato zagotavlja rešitev, ki premaga številne pomanjkljivosti optičnih in magnetnih kodirnikov.
Tehnologija, ki temelji na kapacitivnosti in se uporablja v liniji kodirnikov AMT podjetja CUI Devices, se je izkazala za zelo zanesljivo in zelo natančno.
Ker ni potrebna nobena LED ali vidna linija, lahko kapacitivni kodirniki dosežejo želene rezultate tudi, ko naletijo na onesnaževalce okolja, ki lahko negativno vplivajo na optične kodirnike, kot so prah, umazanija in oljni madeži.
Poleg tega je manj dovzeten za vibracije in ekstremno visoke/nizke temperature kot stekleni kodni diski, ki se uporabljajo v optičnih kodirnikih.
Kot smo že omenili, imajo kapacitivni dajalniki daljšo življenjsko dobo kot optični dajalniki, ker LED diode ne pregorijo.
Posledično ima kapacitivni kodirnik manjšo velikost ohišja in porabi manj toka v celotnem razponu ločljivosti od samo 6 do 18 mA, zaradi česar je bolj primeren za aplikacije z baterijskim napajanjem.
Ker so robustnost, natančnost in ločljivost kapacitivne tehnologije višje kot pri magnetnem kodirniku, elektromagnetne motnje in električni šum, s katerimi se sooča slednji, nimajo velikega vpliva nanj.
Poleg tega ponuja digitalna narava kapacitivnih kodirnikov ključne prednosti v smislu prilagodljivosti in programirljivosti. Ker je ločljivost optičnega ali magnetnega kodirnika določena s ploščo kodirnika, se vsakič, ko so potrebne druge ločljivosti, uporabi nov kodirnik, kar povzroči povečanje časa in stroškov načrtovanja in proizvodnega procesa.
Vendar pa imajo kapacitivni dajalniki vrsto programabilnih ločljivosti, s čimer načrtovalcem prihranijo težave pri zamenjavi dajalnika vsakič, ko je potrebna nova ločljivost, kar ne le zmanjša inventar, ampak tudi poenostavi natančno nastavitev krmilne zanke PID in optimizacijo sistema.
Kapacitivni kodirniki omogočajo digitalno poravnavo in indeksiranje impulznih nastavitev, ko se vključi motor BLDC, kar je za optične kodirnike lahko ponavljajoče se in dolgotrajno opravilo.
Vgrajene diagnostične zmožnosti omogočajo oblikovalcem nadaljnji dostop do sistemskih podatkov za optimizacijo sistema ali odpravljanje težav na terenu.
Tehnična analiza optičnih, magnetnih in kapacitivnih dajalnikov
Slika 3: Primerjava ključnih kazalnikov uspešnosti za kapacitivne, optične in magnetne tehnologije (Avtorstvo fotografije: CUI Devices)
5. Pretehtajte svoje možnosti
V mnogih aplikacijah za nadzor gibanja so temperatura, vibracije in okoljski onesnaževalci pomembni izzivalni dejavniki, s katerimi se morajo soočiti kodirniki. Izkazalo se je, da lahko kapacitivni kodirniki premagajo te izzive.
V primerjavi z optičnimi ali magnetnimi tehnologijami oblikovalcem zagotavlja zanesljive, natančne in prilagodljive rešitve.
Poleg tega kapacitivni kodirniki dodajo programirljivost in diagnostiko, digitalno funkcijo, zaradi katere so primernejši za sodobne aplikacije interneta stvari (IoT) in industrijskega interneta stvari (IIoT).