Codificatoarele sunt comune în produsele de control al mișcării, iar codificatoarele rotative sunt componente cheie ale buclelor de feedback de control al mișcării, inclusiv echipamente de automatizare industrială și control al proceselor, robotică, echipamente medicale, energie, aerospațială etc.
Ca dispozitive care convertesc mișcarea mecanică în semnale electrice, codificatoarele oferă inginerilor date de bază, cum ar fi poziția, viteza, distanța și direcția, care pot fi utilizate pentru a optimiza performanța întregului sistem.
Optica, magnetică și capacitivă sunt cele trei tehnologii principale de codificare disponibile inginerilor. Există totuși o serie de factori de luat în considerare pentru a determina care tehnologie este cea mai bună pentru o eventuală aplicare.
Acest articol va oferi o privire de ansamblu asupra tehnologiilor de codificare optice, magnetice și capacitive și va discuta pe scurt avantajele și dezavantajele fiecărei tehnologii.
1. Encoder optic
Codificatoarele optice au fost o alegere populară pe piața aplicațiilor de control al mișcării de mulți ani. Este alcătuit dintr-o sursă de lumină LED (de obicei sursă de lumină în infraroșu) și un fotodetector, care sunt situate pe ambele părți ale plăcii codificatoare a codificatorului.
Placa de cod este realizata din plastic sau sticla, cu o serie de linii sau fante transparente si opace dispuse la intervale de timp. Când discul de cod se rotește, calea optică a LED-ului este blocată de liniile sau sloturile dispuse la intervale pe discul de cod, generând astfel două impulsuri ortogonale tipice de undă pătrată A și B, care pot fi utilizate pentru a determina rotația și viteza axei. .
Analiza tehnică a codificatoarelor optice, magnetice și capacitive
Figura 1: Impulsuri ortogonale tipice A și B pentru codificatoare optice, inclusiv impulsuri index (credit foto: CUI Devices)
Deși codificatoarele optice sunt utilizate pe scară largă, aceștia au încă câteva dezavantaje. În mediile prăfuite și murdare, cum ar fi aplicațiile industriale, contaminanții se pot acumula pe placa de cod, blocând astfel transmiterea luminii LED către senzorul optic.
Fiabilitatea și acuratețea codificatorului optic sunt foarte afectate deoarece discul de cod contaminat poate duce la discontinuitate sau pierderea completă a undei pătrate.
LED-urile au o durată de viață limitată și în cele din urmă se vor arde, ceea ce duce la defecțiunea codificatorului. În plus, discurile de cod din sticlă sau plastic sunt predispuse la deteriorare din cauza vibrațiilor sau a temperaturilor extreme, limitând astfel aplicabilitatea codificatoarelor optice în aplicații în mediu dure; Asamblarea acestuia într-un motor nu este doar consumatoare de timp, dar implică și un risc mai mare de contaminare.
În cele din urmă, dacă rezoluția codificatorului optic este mare, acesta va consuma mai mult de 100 mA de curent, afectând și mai mult aplicarea acestuia în dispozitivele mobile sau alimentate cu baterie.
2. Encoder magnetic
Codificatoarele magnetice sunt similare ca structură cu cele optice, dar folosesc un câmp magnetic mai degrabă decât un fascicul de lumină. Codificatoarele magnetice înlocuiesc discurile cu coduri optice cu fante cu discuri cu coduri magnetice cu poli magnetici distanțați, care se rotesc pe un rând de senzori cu efect Hall sau senzori de reluctanță.
Orice rotire a plăcii de cod va face ca acești senzori să răspundă, iar semnalul rezultat va fi transmis circuitului frontal de condiționare a semnalului pentru a determina poziția arborelui.
Comparativ cu codificatoarele optice, codificatoarele magnetice au avantajul de a fi mai durabile, rezistente la vibratii si impact. Mai mult, performanța codificatoarelor optice este foarte compromisă în cazul contaminanților precum praful, murdăria și petele de ulei, în timp ce codificatoarele magnetice nu sunt afectate, făcându-le ideale pentru aplicații în mediu dure.
Cu toate acestea, interferențele electromagnetice generate de motoare (în special de motoarele pas cu pas) vor avea un impact mare asupra codificatorului magnetic, iar schimbările de temperatură vor cauza, de asemenea, deviația de poziție a acestuia.
În plus, rezoluția și acuratețea codificatoarelor magnetice sunt relativ scăzute și sunt mult mai mici decât codificatoarele optice și capacitive în acest sens.
3. Encoder capacitiv
Codificatorul capacitiv este format din trei părți principale: rotor, emițător fix și receptor fix. Detecția capacitivă folosește o bandă sau un model liniar cu un pol pe un element fix și celălalt pol pe un element MISCĂTOR pentru a forma un condensator variabil configurat ca o pereche de receptori/transmițători.
Rotorul este gravat cu un model de undă sinusoidală care produce un semnal specific, dar previzibil pe măsură ce arborele motorului se rotește. Acest semnal este apoi convertit de ASIC-ul de la bord al codificatorului pentru a calcula poziția și direcția de rotație a axei.
Analiza tehnică a codificatoarelor optice, magnetice și capacitive
Figura 2: Comparația discurilor codificatoare (credit foto: CUI Devices)
4. Encoder capacitiv
Encoderul capacitiv funcționează pe același principiu ca și etrierul digital vernier, deci oferă o soluție care depășește multe dintre dezavantajele encoderelor optice și magnetice.
Tehnologia bazată pe capacități utilizată în linia de codificatoare AMT a CUI Devices s-a dovedit a fi foarte fiabilă și extrem de precisă.
Deoarece nu sunt necesare LED-uri sau linie vizuală, codificatoarele capacitive pot obține rezultatele dorite chiar și atunci când se confruntă cu contaminanți de mediu care pot afecta negativ codificatoarele optice, cum ar fi praful, murdăria și petele de ulei.
În plus, este mai puțin susceptibil la vibrații și la temperaturi extrem de ridicate/scăzute decât discurile de cod de sticlă utilizate în codificatoarele optice.
După cum am menționat mai devreme, codificatoarele capacitive tind să aibă o durată de viață mai lungă decât codificatoarele optice, deoarece ledurile nu se ard.
Ca rezultat, codificatorul capacitiv are o dimensiune mai mică a pachetului și consumă mai puțin curent pe întregul interval de rezoluție de numai 6 până la 18 mA, făcându-l mai potrivit pentru aplicațiile alimentate cu baterie.
Deoarece robustețea, acuratețea și rezoluția tehnologiei capacitive sunt mai mari decât cele ale codificatorului magnetic, interferențele electromagnetice și zgomotul electric cu care se confruntă acesta din urmă nu au un impact mare asupra acestuia.
În plus, natura digitală a codificatoarelor capacitive oferă avantaje cheie în ceea ce privește flexibilitatea și programabilitatea. Deoarece rezoluția unui encoder optic sau magnetic este determinată de placa codificatorului, un nou encoder este utilizat de fiecare dată când sunt necesare alte rezoluții, ceea ce duce la o creștere a timpului și a costului procesului de proiectare și fabricație.
Cu toate acestea, codificatoarele capacitive au o gamă de rezoluții programabile, scutind proiectanților problemele de a înlocui codificatorul de fiecare dată când este nevoie de o nouă rezoluție, ceea ce nu numai că reduce inventarul, dar și simplifică reglarea fină a buclei de control PID și optimizarea sistemului.
Codificatoarele capacitive permit alinierea digitală și indexarea setărilor de puls atunci când sunt implicate pornirea motorului BLDC, o sarcină care poate fi repetitivă și consumatoare de timp pentru encoderele optice.
Capacitățile de diagnosticare încorporate oferă proiectanților acces suplimentar la datele sistemului pentru a optimiza sistemul sau a depana pe teren.
Analiza tehnică a codificatoarelor optice, magnetice și capacitive
Figura 3: Comparația indicatorilor cheie de performanță pentru tehnologiile capacitive, optice și magnetice (Crédit foto: CUI Devices)
5. Cântărește-ți opțiunile
În multe aplicații de control al mișcării, temperatura, vibrațiile și contaminanții din mediu sunt factori importanți de provocare cu care trebuie să se confrunte codificatorii. Se pare că codificatoarele capacitive pot depăși aceste provocări.
În comparație cu tehnologiile optice sau magnetice, oferă designerilor soluții fiabile, precise și flexibile.
Mai mult, codificatoarele capacitive adaugă programabilitate și diagnosticare, o caracteristică digitală care le face mai potrivite pentru aplicațiile moderne Internet of Things (IoT) și Industrial Internet of Things (IIoT).