A kódolók gyakoriak a mozgásvezérlő termékekben, a forgó jeladók pedig a mozgásvezérlő visszacsatoló hurkok kulcsfontosságú összetevői, beleértve az ipari automatizálási berendezéseket és folyamatvezérlést, a robotikát, az orvosi berendezéseket, az energiát, a repülést stb.
A mechanikus mozgást elektromos jelekké alakító eszközökként a kódolók olyan alapvető adatokkal látják el a mérnököket, mint a helyzet, a sebesség, a távolság és az irány, amelyek segítségével optimalizálni lehet a teljes rendszer teljesítményét.
Az optikai, mágneses és kapacitív a három fő kódoló technológia, amely a mérnökök rendelkezésére áll. Számos tényezőt azonban figyelembe kell venni annak meghatározásához, hogy melyik technológia a legjobb az esetleges alkalmazáshoz.
Ez a cikk áttekintést ad az optikai, mágneses és kapacitív kódoló technológiákról, és röviden megvitatja az egyes technológiák előnyeit és hátrányait.
1. Optikai kódoló
Az optikai kódolók évek óta népszerű választás a mozgásvezérlő alkalmazások piacán. Ez egy LED fényforrásból (általában infravörös fényforrásból) és egy fotodetektorból áll, amelyek a kódoló kódtáblájának mindkét oldalán találhatók.
A kódtábla műanyagból vagy üvegből készül, időközönként elhelyezett átlátszó és átlátszatlan vonalakkal vagy résekkel. Amikor a kódlemez forog, a LED optikai útját a kódlemezen időközönként elhelyezett vonalak vagy rések blokkolják, így két tipikus négyzethullám A és B ortogonális impulzust generálnak, amelyek segítségével meghatározható a tengely forgása és sebessége. .
Optikai, mágneses és kapacitív kódolók műszaki elemzése
1. ábra: Tipikus A és B ortogonális impulzusok optikai kódolókhoz, beleértve az indeximpulzusokat (Fotó jóváírása: CUI-eszközök)
Bár az optikai kódolókat széles körben használják, még mindig vannak hátrányai. Poros és piszkos környezetben, például ipari alkalmazásokban, szennyeződések halmozódhatnak fel a kódtáblán, így blokkolva a LED-fény átvitelét az optikai érzékelőhöz.
Az optikai kódoló megbízhatóságát és pontosságát nagymértékben befolyásolja, mivel a szennyezett kódlemez a négyszöghullám megszakadásához vagy teljes elvesztéséhez vezethet.
A LED-ek élettartama korlátozott, és végül kiégnek, ami a kódoló meghibásodásához vezet. Ezenkívül az üveg vagy műanyag kódlemezek hajlamosak a vibráció vagy az extrém hőmérsékletek miatti károsodásra, ami korlátozza az optikai kódolók alkalmazhatóságát zord környezeti alkalmazásokban; Motorba szerelése nemcsak időigényes, hanem nagyobb szennyeződésveszélyt is rejt magában.
Végül, ha az optikai kódoló felbontása nagy, akkor több mint 100 mA áramot fogyaszt, ami tovább befolyásolja a mobil vagy akkumulátoros készülékekben való alkalmazását.
2. Mágneses kódoló
A mágneses kódolók szerkezetükben hasonlóak az optikai kódolókhoz, de fénysugár helyett mágneses mezőt használnak. A mágneses kódolók a réses optikai kódlemezeket olyan mágneses kódlemezekre cserélik, amelyek mágneses pólusai egymástól távol helyezkednek el, és ezek a Hall-effektus- vagy reluktancia-érzékelők sorában forognak.
A kódtábla bármilyen elforgatása hatására ezek az érzékelők reagálnak, és az eredményül kapott jelet továbbítják a jelkondicionáló elülső áramkörbe, hogy meghatározzák a tengely helyzetét.
Az optikai kódolókhoz képest a mágneses jeladók előnye, hogy tartósabbak, ellenállóbbak a rezgésekkel és ütésekkel szemben. Ezen túlmenően, az optikai kódolók teljesítménye nagymértékben romlik olyan szennyeződések esetén, mint a por, szennyeződés és olajfoltok, míg a mágneses kódolókat ez nem érinti, így ideálisak zord környezeti alkalmazásokhoz.
A motorok (különösen a léptetőmotorok) által keltett elektromágneses interferencia azonban nagy hatással lesz a mágneses jeladóra, és a hőmérséklet-változások a pozíciósodródást is okozzák.
Ezenkívül a mágneses kódolók felbontása és pontossága viszonylag alacsony, és ebből a szempontból sokkal kisebb, mint az optikai és kapacitív kódolóké.
3. Kapacitív kódoló
A kapacitív kódoló három fő részből áll: rotorból, fix adóból és rögzített vevőből. A kapacitív érzékelés szalagot vagy lineáris mintát használ, amelynek egyik pólusa egy rögzített elemen, a MÁSIK pólus pedig MOZGÓ elemen található, és egy vevő/adó párként konfigurált változó kondenzátort képez.
A forgórész szinuszos mintázattal van maratva, amely meghatározott, de kiszámítható jelet ad, amikor a motor tengelye forog. Ezt a jelet ezután a kódoló beépített ASIC-je átalakítja a tengely helyzetének és forgási irányának kiszámításához.
Optikai, mágneses és kapacitív kódolók műszaki elemzése
2. ábra: A kódolólemezek összehasonlítása (Fotó forrása: CUI-eszközök)
4. Kapacitív kódoló
A Capacitive encoder ugyanazon az elven működik, mint a digitális nóniuszos tolómérő, így olyan megoldást nyújt, amely az optikai és mágneses kódolók számos hátrányát kiküszöböli.
A CUI Devices AMT kódolóiban használt kapacitás-alapú technológia rendkívül megbízhatónak és nagyon pontosnak bizonyult.
Mivel nincs szükség LED-re vagy látótávolságra, a kapacitív jeladók még akkor is elérhetik a kívánt eredményeket, ha olyan környezeti szennyeződésekkel találkoznak, amelyek károsan befolyásolhatják az optikai kódolókat, például por, szennyeződés és olajfoltok.
Ezenkívül kevésbé érzékeny a vibrációra és a rendkívül magas/alacsony hőmérsékletre, mint az optikai kódolókban használt üvegkódlemezek.
Amint azt korábban említettük, a kapacitív kódolók általában hosszabb élettartammal rendelkeznek, mint az optikai kódolóké, mivel a ledek nem égnek ki.
Ennek eredményeként a kapacitív kódoló kisebb csomagmérettel rendelkezik, és kevesebb áramot fogyaszt a teljes, mindössze 6–18 mA felbontási tartományban, így alkalmasabb akkumulátoros alkalmazásokhoz.
Mivel a kapacitív technológia robusztussága, pontossága és felbontása nagyobb, mint a mágneses kódolóé, az utóbbit érő elektromágneses interferencia és elektromos zaj nem gyakorol nagy hatást rá.
Ezenkívül a kapacitív kódolók digitális jellege kulcsfontosságú előnyöket kínál a rugalmasság és a programozhatóság tekintetében. Mivel az optikai vagy mágneses kódoló felbontását a kódolólemez határozza meg, minden alkalommal új kódolót használnak, amikor más felbontásra van szükség, ami megnöveli a tervezési és gyártási folyamat idejét és költségét.
A kapacitatív kódolók azonban számos programozható felbontással rendelkeznek, így megkímélhetik a tervezőket attól a fáradságtól, hogy minden alkalommal kicseréljék a kódolót, amikor új felbontásra van szükség, ami nemcsak a készletet csökkenti, hanem leegyszerűsíti a PID vezérlőkör finomhangolását és a rendszer optimalizálását is.
A kapacitív kódolók lehetővé teszik az impulzusbeállítások digitális igazítását és indexelését, amikor a BLDC motor beindul, ez a feladat ismétlődő és időigényes lehet az optikai kódolóknál.
A beépített diagnosztikai képességek további hozzáférést biztosítanak a tervezőknek a rendszeradatokhoz a rendszer optimalizálása vagy a helyszíni hibaelhárítás érdekében.
Optikai, mágneses és kapacitív kódolók műszaki elemzése
3. ábra: A kapacitív, optikai és mágneses technológiák fő teljesítménymutatóinak összehasonlítása (Fotó jóváírása: CUI-eszközök)
5. Mérje fel a lehetőségeit
Számos mozgásvezérlési alkalmazásban a hőmérséklet, a vibráció és a környezeti szennyeződések olyan fontos kihívást jelentenek, amellyel a kódolóknak foglalkozniuk kell. Kiderült, hogy a kapacitív kódolók képesek leküzdeni ezeket a kihívásokat.
Az optikai vagy mágneses technológiákhoz képest megbízható, precíz és rugalmas megoldásokat kínál a tervezőknek.
Ezenkívül a kapacitív kódolók programozhatóságot és diagnosztikát tesznek lehetővé, ami egy olyan digitális funkció, amely alkalmasabbá teszi őket a modern tárgyak internete (IoT) és az ipari dolgok internete (IIoT) alkalmazásokhoz.