Энкодеры (Раздаточный материал по URC220)

Московский Государственный Технический Университет

им. Н.Э.Баумана

Датчики угла поворота (энкодеры),

их применение и обработка.

Работу выполнил студент группы РК10-52

Куренёв П.Н.

Москва. 2006

1. Что такое энкодер

Э нкодеры (encoders) – специальные датчики для определения углового положения вращающегося вала.

Энкодер представляет из себя устройство, устанавливающееся на вращающийся вал, положение и скорость которого и нужно измерять.

Внешне похож на небольшой электродвигатель. Устанавливается либо соосно этому валу, или через плоскоременную передачу, т.к. для вращения энкодера не требуется почти никакой силы.

Т ак же как редукторы сразу встраивают в электродвигатели, так же и энкодеры, как правило, встраивают в мотор, таким образом датчик сразу устанавливается на валу и у конструктора отпадают проблемы с его установкой. В этом случае от двигателя кроме кабелей питания идут ещё провода с сигналами от датчика.

2. Области применения

Энкодеры очень широко распространены во всех типах техники. Вот небольшой список примеров, где используются энкодеры:

- компьютерные мышки - в шариковых мышках установлено два энкодера для отслеживания вращения колеса в двух направлениях;

- вентиляторы в системах охлаждения - в них энкодер установлен для слежения за скоростью вращения, чтобы отследить случай внезапной остановки вентилятора при отключении питания или перегорании самого ентилятора;

- принтеры - имеют энкодеры для слежения за положением листа бумаги и печатающего картриджа;

- упаковочные агрегаты - местоположение упаковываемого объекта;

- резательные машины - энкодеры отмеряют положение, на ктором необходимо резать, или жн длину отреза;

- приводы лифтов и подъёмных кранов - здесь энкодеры следят за высотой подъёма;

- роботы - энкодеры отслеживают положение всех манипуляторов и самого робота, если робот мобильный.

3. Внутреннее устройство

Энкодеры бывают линейными и вращательными, абсолютными и инкрементными.

Сигналы на выводах формируются с помощью светодиодов и фотодиодов. Также есть магнитные энкодеры.

Рассмотрим вращательные энкодеры.

Абсолютные энкодеры устроены следующим образом:

На диске по кругу нанесено несколько дорожек, на которых имеются прорези (см. рисунок).

Каждая дорожка соответствует определённому разряду в двоичной системе исчисления.

Таким образом, если нужно узнать положение вала с точностью до 1/8 полного оборота, то нужно сделать 3 кольца со значениями, так как для точности 1/8 нужно 8 различных значений: от 0 до 7. Эти значения можно задать через двоичную систему так:

На выходе у такого энкодера каждый провод соответствует одному разряду в двоичной системе. Высокий уровень сигналов будет соответствовать единице, а низкий - нулю.

Инкрементные энкодеры, в отличие от абсолютных, не дают информации о положении вала в любой момент времени

Как правило, на выходе у этих энкодеров имеется 2 сигнала: канал A и канал B, имеющие П-образный вид и смещённые друг относительно друга на четверть периода. Анализируя эти сигналы можно определять положение, скорость и направление вращения датчика.

Устроены эти энкодеры так же, как и абсолютные, но по-другому выполнен кодовый диск:

При вращении такого датчика получаются следующие сигналы на выводах A и B:

4. Обработка сигналов с датчика

Обработка абсолютных энкодеров заключается в преобразовании двоичного кода на выходе энкодера в необходимый для дальнейшей обработки формат. То есть можно пподключить эти выводы к микроконтроллеру, тогда с помощью программы можно получить числовое значение положения, можно подключить, например, а цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП), тогда на выход будет подаваться меняющееся напряжение, от 0 до подаваемого на ЦАП.

Также, если вал совершает не один оборот, а много, то нужно отслеживать начало нового оборота (то есть если следующее значение меньше предыдущего, значит начался новый оборот).

Обработка инкрементных энкодеров сложнее, чем абсолютных, так как нужно постоянно следить за сигналами с каналов A и B. Рассмотрим алгоритм обработки сигналов с этих энкодеров.

Рассмотрим обработку сигналов инкрементного вращательного энкодера на микроконтроллере.

Схема соединения двигателя с энкодером и микроконтроллера представлена на рисунке ниже:

Здесь ИП (источник питания) питает УМ (усилитель мощности), энкодер, буфер и микроконтроллер. Буфер (его можно и не устанавливать, зависит от напряжения питания процессора и уровней сигнала) нужен для конвертирования сигналов 5В-ого уровня в сигналы с напряжением 3.3В. Также буфер предохраняет процессор от возможных скачков напряжения.

Алгоритм расчета скорости с помощью подсчёта импульсов энкодера между обработками следящей системы продемонстрирован на следующем рисунке:

Так как частота следящей система постоянна, то можно подсчитывать количество импульсов канала энкодера между двумя соседними обработками следящей. Количество подсчитанных импульсов будет прямо пропорционально угловой скорости датчика.

Алгоритм расчета скорости с помощью подсчёта импульсов таймера между импульсами энкодера продемонстрирован на следующем рисунке:

Здесь постоянной является частота таймера. Аналогично предыдущему способу, здесь ведётся подсчёт импульсов таймера между двумя соседними импульсами канала энкодера. Тогда скорость будет обратно пропорциональна количеству импульсов таймера.

Первый способ определения скорость используется при больших скоростях. Например Частота следящей системы 100 Гц. Частота импульсов канала А энкодера – 100 000. Тогда за 1 интервал следящей системы может сработать от 0 до 1000 импульсов канала энкодера, то есть скорость имеет 1000 градаций. Другой пример: частота импульсов канала А энкодера – 50 Гц, что соответствует маленькой скорости. Тогда скорость или равна 0, или равна 1 в зависимости от того, был ли импульс или нет. Для слежения за скоростью привода такой разброс значений из 2 возможных вариантов неприемлем, поэтому используют второй способ. Как правило, частота таймера составляет мегагерцы и десятки мегагерц, поэтому за 1/50 секунды (время между импульсами канала энкодера) может произойти от 20 000 импульсов таймера, если его частота равна 1 МГц.

Оба эти алгоритма реализованы в виде программы, которая работает в микроконтроллере. При этом для корректной реализации программы используют прерывания.

Прерывания – это события при выполнении программы, когда текущее место выполнения программы и состояние всех регистров и флагов сохраняется, а управление переходит в другую функцию, называемой функцией обработки прерываний. После завершения её работы управление переходит на прежнее место, и восстанавливаются состояния регистров.

Схема работы программы с прерываниями:

Если подключить каналы A и B к процессору и инициализировать вызов прерывания при изменении уровня на этих выводах, то можно реализовать программу для слежения для расчета текущего положения. Рассмотрим прерывания для канала А.

Допустим, движение происходит так, что импульсы идут слева направо, как показано на рисунке ниже:

Тогда при срабатывании прерывания от канала А уровни на каналах А и В будут разными. Действительно, если уровень канала А возрастает, то сразу после возрастания вызывается прерывание. Если в этом прерывании определить текущий уровень на каналах А и В, то на канале А он уже будет высоким, а на канале В всё ещё низким. При падении уровня произойдёт тоже самое: уровень канала А будет уже низким, а канала В всё ещё высоким. Т.е. если каналы А и В имеют разные уровни при срабатывании прерывания, значит происходит вращение в одном направлении.

Допустим, началось вращение в другую сторону. Тогда «идти» по диаграмме нужно справа налево. Тогда при срабатывании прерывания уровни на обоих каналах будут одинаковыми. Значит происходит вращение в другую сторону.

5. Пример программы

// Позиция

int ENC_Pos = 0;

// Позиция на момент предыдущего определения скорости

int ENC_PrevPos = 0;

// Предыдущее состояние таймера

int ENC_PrevCount = 0;

//-------------------------------------

void main()

{

// Инициализация прерываний:

// Установка функции ENC_InterruptHandler()

// как обработчик прерываний

...

// Алгоритм программы

...

int pos = ENC_GetPos();

int spd = ENC_GetSpd();

...

}

//-------------------------------------

// Обработчик прерываний

void ENC_InterruptHandler()

{

// Если значение каналов А и В совпадают, то

if(ENC_Channel_A_Value() == ENC_Channel_B_Value())

// Увеличивает текущую позицию

ENC_Pos++;

// Если не совпадают, значит двигаемся в

// другую сторону, поэтому уменьшаем позицию

else

ENC_Pos--;

}

//-------------------------------------

// Функция возвращает позицию

int ENC_GetPos()

{

return ENC_Pos;

}

//-------------------------------------

// Функция возвращает скорость