1. Introducción a los codificadores
Los codificadores son un tipo de sensor que se utiliza principalmente para detectar velocidad, posición, ángulo, distancia o recuento de movimiento mecánico.
Además de usarse en máquinas, muchos controles de motores, como los servomotores, requieren codificadores para proporcionar retroalimentación para la detección de conmutación, velocidad y posición al controlador del motor.
2. Clasificación de codificadores
El codificador se puede dividir en codificador analógico y codificador digital. El codificador analógico se puede dividir en transformador rotatorio y codificador Sin/Cos, mientras que el codificador digital se puede dividir en codificador incremental y codificador absoluto.
3. Principios de funcionamiento de los codificadores de uso común.
3.1 Principio de los codificadores digitales.
1) Utilice acopladores fotoeléctricos para digitalizar un disco segmentado instalado en un eje mecánico.
El código mecánico se convierte en señales de impulsos eléctricos proporcionales.
La fuente de luz (generalmente un LED) emite un haz de luz estrecho hacia el receptor (que puede ser un fotodiodo). Tanto la fuente de luz como el receptor están estrictamente instalados en partes estacionarias del cojinete de conexión giratorio.
El codificador es un disco de sombreado con una abertura o ventana transparente, que se instala en la parte giratoria del rodamiento.
3.2 Principio de los codificadores digitales fotoeléctricos.
Cuando el rodamiento gira, el codificador permite que el haz de luz se alterne (pase a través de la pequeña ventana del disco).
El fotodiodo emite las correspondientes señales de nivel alto o bajo a medida que cambia la posición. La salida del fotodiodo se puede convertir en información de posición y velocidad a través de un circuito especializado.
3.2.1 Salida de codificadores incrementales
La salida del codificador incremental consta de un disco fotoeléctrico de eje central con marcas circulares transparentes y opacas, que son leídas por los componentes fotoeléctricos emisor y receptor para obtener señales de onda cuadrada combinadas como A, B, -A, -B.
Cada par de señales tiene una diferencia de fase C de 90 grados (un ciclo equivale a 360 grados).
Además, hay una señal de calibración de punto cero y el codificador emite una señal por cada rotación del disco.
3.2.2 Principios de conexión de codificadores incrementales
1. Conexión monofásica
Se utiliza para conteo unidireccional y medición de velocidad unidireccional.
2. Conexión bifásica AB
Se utiliza para contar bidireccionalmente y determinar la dirección y la velocidad.
3. Conexión ABC trifásica
Se utiliza para determinar la velocidad con corrección de la posición de referencia.
La conexión AABBCC tiene una corriente de conexión de señal negativa simétrica, que tiene una atenuación mínima y una fuerte antiinterferencia, y puede emitirse a largas distancias.
Cómo determinar la dirección
Dado que A y B están desfasados 90 grados, la dirección se puede determinar detectando si A o B ocurren primero.
Cómo realizar la calibración de la posición cero
Durante la transmisión de pulsos del codificador, pueden ocurrir errores debido a razones tales como interferencias, lo que resulta en errores de transmisión.
En este momento, es necesario realizar la calibración de la posición cero de manera oportuna.
El codificador C emite un pulso con cada rotación, que se denomina pulso cero o pulso de identificación, y se utiliza para determinar la posición cero o de identificación.
Para medir con precisión el pulso cero independientemente de la dirección de rotación, el pulso cero se emite como una combinación de alto nivel de dos canales.
Debido a la diferencia de fase entre los canales, el pulso cero tiene solo la mitad de la duración del pulso.
3.2.3 Multiplicador de codificador incremental
Debido a limitaciones tecnológicas y de muestreo, es imposible lograr una división física más precisa y precisa del disco de codificación.
Sin embargo, se pueden lograr pulsos más altos convirtiendo el circuito digital.
Señal de doble frecuencia
Se obtiene por conversión “exclusiva o” de las fases A y B.
Señal de frecuencia cuádruple
El contador también aumenta o disminuye en cada borde de los canales A y B. La dirección del contador está determinada por qué canal impulsa al otro.
El número en el contador aumenta o disminuye en 4 en cada ciclo.
3.2.4 Características de los codificadores incrementales
El codificador emite una señal de pulso para cada ángulo de rotación preestablecido y el ángulo de rotación se calcula contando el número de señales de pulso.
Por lo tanto, los datos de posición emitidos por el codificador son relativos.
Dado que se utiliza una señal de pulso fija, la posición inicial del ángulo de rotación se puede establecer arbitrariamente.
Debido al uso de codificación relativa, los datos del ángulo de rotación se perderán y será necesario restablecerlos después de un corte de energía.
3.2.5 Problemas con codificadores incrementales
1) Los codificadores incrementales tienen errores acumulativos de punto cero.
2) Tienen poca capacidad antiinterferente.
3) Es necesario apagar el dispositivo receptor y encontrar nuevamente la posición de referencia después de cortes o paradas de energía.
La aparición de codificadores absolutos resuelve estos problemas.
3.3 Principio del codificador absoluto
Un codificador absoluto tiene un disco de código de luz con múltiples canales de luz y líneas grabadas en él.
Cada canal está codificado utilizando 2, 4, 8, 16, etc., líneas en secuencia.
En cada posición del codificador, los canales de luz se leen y su estado encendido/apagado se utiliza para obtener un código binario único, conocido como código Gray, que va de 2^0 a 2^(n-1), donde n es el valor absoluto. número de bits del codificador.
La posición del codificador está determinada mecánicamente por el disco de código de luz, por lo que no se ve afectado por cortes de energía o interferencias.
3.3.1 Disco de código de codificador absoluto
El disco de código de luz es escaneado por un grupo de acopladores fotoeléctricos para obtener el código único en cada posición. Cada posición tiene su propio código único.
Los códigos de salida de los codificadores absolutos son:
1. Código binario natural: 0000 0001 0010 0011 0100
2. Código Gray: 0000 0001 0011 0010 0110
Características del código Gray:
Los números enteros adyacentes en su representación numérica tienen solo una diferencia, lo que puede evitar que se produzcan grandes picos de corriente en el circuito de conversión digital (como 3-4, 0011-0100).
Formato de conversión de código binario-gris:
Los dígitos más altos se retienen y el segundo dígito más alto se obtiene realizando una operación "exclusiva o" en los dígitos más altos y el segundo dígito más alto (en binario).
Referencia para códigos decimales y Gray.
| Decimal | Código gris |
| 0 | 0000 |
| 1 | 0001 |
| dos | 0011 |
| 3 | 0010 |
| 4 | 0110 |
| 5 | 0111 |
| 6 | 0101 |
| 7 | 0100 |
| Decimal | Código gris |
| 8 | 1100 |
| 9 | 1101 |
| 10 | 1111 |
| 11 | 1110 |
| 12 | 1010 |
| 13 | 1011 |
| 14 | 1001 |
| 15 | 1000 |
3.3.2 Formatos de salida del codificador absoluto
1. Modo de salida paralelo
En este modo, hay un cable para cada bit de datos (canal de bits) y el nivel de señal (alto o bajo) en cada cable representa 1 o 0.
El dispositivo físico es similar a un codificador incremental y tiene diferentes tipos, como colector abierto PNP, NPN, accionamiento diferencial, push-pull y diferencial alto o bajo efectivo según la forma del dispositivo físico.
La salida paralela suele tener la forma de un código Gray, también llamado codificador de código Gray.
2. Salida de interfaz serie síncrona (SSI)
En este modo, los datos se concentran y transmiten a través de un grupo de cables. La salida de datos está ordenada por un protocolo de comunicación que especifica el tiempo.
La salida en serie utiliza menos líneas de conexión y puede transmitir a distancias más largas, lo que mejora enormemente la protección y confiabilidad del codificador.
Los codificadores absolutos de bits altos y los codificadores absolutos multivuelta generalmente utilizan salida en serie.
3. Formato serial asincrónico
En este modo se intercambian instrucciones y datos a través de preguntas y respuestas, y la interfaz es dúplex. Un ejemplo típico es la interfaz RS485, que sólo requiere dos cables.
El contenido de los datos puede ser el valor de posición del codificador u otro contenido solicitado por la instrucción.
Por ejemplo, si se agrega una dirección para cada codificador, varios codificadores pueden compartir el cable de transmisión y recepción posterior. Esta forma se llama tipo de bus de campo.
4. Principio del codificador híbrido
La codificación incremental y la codificación absoluta están integradas en el mismo disco.
El círculo más externo del disco contiene bandas incrementales de alta densidad, mientras que la parte central es el canal binario de código Gray del codificador absoluto.
La rotación del disco se indica contando el número de pulsos por rotación, y el ángulo girado dentro de una semana se cuenta usando el valor numérico del código Gray.
Codificador absoluto de múltiples vueltas: basado en el codificador absoluto de una sola vuelta, el principio del mecanismo de engranajes de reloj se utiliza para transmitir la rotación del disco central a otro conjunto de discos (o múltiples conjuntos de engranajes y discos) a través de una transmisión de engranajes, que Agrega codificación de número de vuelta basada en codificación de una sola vuelta para ampliar el rango de medición del codificador.
Cuando la luz paralela pasa a través de una rejilla, la intensidad de las franjas de Moiré producidas se aproxima a una función coseno.
Al colocar cuatro franjas de 1/4 de Moiré de elementos fotosensibles en la dirección del movimiento de la franja de Moiré, se pueden obtener cuatro conjuntos de señales de salida de seno y coseno.
Forma de salida del codificador seno-coseno
Codificador lineal
Un codificador lineal mide la distancia de desplazamiento lineal de un objeto y convierte la distancia medida en una salida de señal eléctrica pulsada.
En pocas palabras, el principio consiste en estirar el disco de un codificador rotatorio en línea recta.
Codificador de escala de cuadrícula
El principio de funcionamiento del sensor de desplazamiento de la rejilla es que cuando la rejilla maestra (es decir, la rejilla de escala) y la rejilla auxiliar (es decir, la rejilla indicadora) en el par de rejillas están relativamente desplazadas, la interferencia y la difracción de la luz producen un color negro regular. y un patrón de rayas blancas (o claroscuro), llamado franja Moiré.
Las franjas iguales blancas y negras (o claras y oscuras) se convierten en señales eléctricas que cambian de onda sinusoidal a través de dispositivos fotoeléctricos.
Después de amplificar y dar forma mediante circuitos de modelado, se obtienen dos señales de onda sinusoidal o de onda cuadrada con una diferencia de fase de 90 grados y se envían a la pantalla digital de la rejilla para su conteo y visualización.
Transformador rotatorio
Un transformador rotativo, también conocido como resolutor, es un tipo de micromotor que se utiliza con fines de control.
Es un dispositivo de medición indirecta que convierte la rotación mecánica en una señal eléctrica que está relacionada con el ángulo de rotación mediante una determinada función matemática.
Principio del transformador rotativo
1. Un transformador giratorio es un componente de señal que genera un voltaje que varía con el ángulo del rotor.
Cuando el devanado de excitación es excitado por un voltaje alterno de una cierta frecuencia, la amplitud de voltaje del devanado de salida está en una relación de función seno o coseno con el ángulo del rotor, o mantiene una cierta relación proporcional, o tiene una relación lineal con el ángulo del rotor. dentro de un cierto rango.
2. La distribución del flujo magnético entre el estator y el rotor del transformador giratorio sigue una regla sinusoidal.
Por lo tanto, cuando se aplica el voltaje de excitación al devanado del estator, el devanado del rotor genera una fuerza electromotriz inducida a través del acoplamiento electromagnético, como se muestra en la figura anterior.
La magnitud del voltaje de salida depende de la posición angular del rotor y por lo tanto varía sinusoidalmente con el desplazamiento del rotor.
Según el principio del transformador, suponiendo que el número de vueltas en el devanado primario es N1 y el número de vueltas en el devanado secundario es N2, k = N1/N2 es la relación de vueltas. Cuando se aplica un voltaje de CA al devanado primario
Aplicación de transformador rotativo
1. Modo de detección de fase
El ángulo de fase del voltaje inducido es igual al ángulo de rotación mecánica del rotor.
Por lo tanto, siempre que se detecte el ángulo de fase del voltaje de salida del rotor, se conoce el ángulo de rotación del rotor.
2. Modo de detección de amplitud
En aplicaciones prácticas, modificando continuamente el ángulo eléctrico del voltaje modulador, se puede rastrear la variación del ángulo mecánico y se puede medir la amplitud del voltaje inducido para obtener el desplazamiento del ángulo mecánico.
5. Precauciones de instalación para codificadores
Aspectos mecánicos:
1. Preste atención a la carga por eje permitida durante la instalación;
2. Asegúrese de que la diferencia de eje del eje del codificador y el eje de salida del usuario sea inferior a 0,20 mm y que el ángulo de desviación del eje sea inferior a 1,5°;
3. Durante la instalación, evite golpear, caer y chocar para evitar daños al eje y al disco;
4. Durante el uso prolongado, compruebe periódicamente si los tornillos que fijan el codificador están flojos (una vez cada trimestre).
Aspectos eléctricos:
1) El cable de tierra debe ser lo más grueso posible, generalmente mayor que 1,5 milímetros cuadrados;
2) Los cables de salida del codificador no deben superponerse para evitar daños al circuito de salida;
3) Los cables de señal del codificador no deben conectarse a alimentación CC o corriente CA para evitar daños al circuito de salida;
4）Los equipos como los motores conectados al codificador deben estar bien conectados a tierra y libres de electricidad estática.
6. Instalación del cable blindado del codificador.
Diagrama de la estructura interna de un codificador rotatorio.
