(R)ewolucje enkoderów absolutnych

Absolutne enkodery wieloobrotowe z przekładnią mechaniczną to wciąż najpopularniejsze przetworniki stosowane w aplikacjach, gdzie wymagana jest najwyższa niezawodność i odporność na zewnętrzne zakłócenia. Są podstawą pozycjonowania napędów, suwnic, dźwigów, podnośników. Precyzyjna przekładnia eliminuje ryzyko błędnego odczytu pozycji. Technologia optyczna gwarantuje wysoką rozdzielczość kątową, dokładność, dynamikę odpowiedzi oraz 100% niewrażliwości na pole magnetyczne. Dla wielu użytkowników istotne jest, że taki enkoder nie ma wbudowanej baterii.

Klasyczna konstrukcja ma jednak swoje ograniczenia. Budowa przekładni powoduje, że enkoder zlicza maksymalnie kilka tysięcy obrotów, po czym kod wyjściowy narasta ponownie od 0. Zazwyczaj jest to 4096 obrotów (12 bitów). Obecność przekładni redukuje też przestrzeń wewnątrz obudowy enkodera, ograniczając maksymalną średnicę wpuszczanego wału. Istotne jest doświadczenie producenta w konstrukcji precyzyjnych mechanizmów, które wytrzymają wieloletnią pracę w trudnych warunkach, bez zatarć i luzów.

Fot. 1. Enkoder z mechaniczną przekładnią

Fot. 2. Łożyska w technologii Safety- Lock

Przykładem produktu najwyższej jakości jest seria Sendix 58xx firmy Kubler. W standardowych obudowach o średnicy 58 mm zamknięto przetworniki komunikujące się ze sterownikiem przez interfejsy SSI, BiSS, CANopen, Profibus, EtherCAT, Profinet IO oraz EtherNet/IP. Maksymalna rozdzielczość to 17×12 bitów. Dostępne są wersje z wałem lub otworem o średnicy maks. 15 mm, przelotowym lub nieprzelotowym. Seria Sendix 58xx oferuje stopień ochrony do IP67, mocne łożyska w technologii Safety-Lock i szeroki zakres temperatury pracy od -40 do 90°C.

Fot. 3. Płytka drukowana z matrycą światłoczułą

Przekładnię można zastąpić układem elektronicznym, który cyklicznie sprawdza położenie tarczy enkodera i zapisuje do pamięci stan licznika wykonanych obrotów. Enkoder wykorzystujący tę metodę musi mieć baterię, tak aby ruch wału został wykryty nawet przy wyłączonym zasilaniu maszyny. Źródło światła LED aktywuje się na kilka µs z częstotliwością zależną od prędkości kątowej wału.

Światło poprzez tarczę kodową trafia na matrycę, która sprawdza kąt oraz kierunek obrotu i aktualizuje dane w nieulotnej pamięci. Metoda skanowania optycznego zachowuje wysokie parametry klasycznego enkodera z przekładnią mechaniczną a przy tym ma znacznie prostszą konstrukcję. Mniejsza liczba komponentów pozwala na obniżenie ceny, enkoder może mieć też mniejsze wymiary, co jest nie bez znaczenia w wielu dziedzinach, np. robotyce, sprzęcie medycznym, scenicznym. Enkodery z "przekładnią" optyczną są coraz chętniej stosowane w przemyśle.

Metoda Intelligent Scan Technology została zastosowana w enkoderach firmy Kubler z serii F36xx oraz F58xx. Mniejsza seria ma średnicę 36 mm, dlatego baterię umieszczono na zewnątrz enkodera, w dodatkowym module umieszczonym wzdłuż przewodu. Rodzina F58xx ma standardowy rozmiar 58 mm i baterię schowaną wewnątrz obudowy enkodera.

Fot. 4. Enkoder z serii F36xx z baterią na przewodzie

W obu przypadkach zachowano wysoką rozdzielczość, do 17×24 bitów. 24-bitowy licznik wykonanych obrotów gwarantuje, że użytkownik nie napotka problemu przekroczenia zakresu pomiarowego. Widać tu przewagę nad klasycznym enkoderem z przekładnią mechaniczną. Konstrukcja optyczna pozwala zachować przelotowość otworu nawet w najmniejszej serii F36xx.

Nie w każdej aplikacji można zastosować enkoder z baterią. Przykładowo w elektrowni wiatrowej, gdzie zasilanie zewnętrzne enkodera jest zapewnione przez 99% czasu a średnia temperatura nie przekracza 40°C, bateria może osiągnąć żywotność 30 lat.

Jednak już w urządzeniu, które często wibruje i jest rzadko zasilane, system skanowania optycznego w enkoderze będzie wybudzany na tyle często, że żywotność baterii spadnie np. do 9 lat. Podobny problem wystąpi, gdy enkoder będzie cały czas pracował w wysokiej temperaturze, rzędu 85°C. W takich przypadkach warto rozważyć zastosowanie enkodera wykorzystującego efekt Wieganda, w którym specjalny czujnik magnetyczny współpracuje z magnetycznym wałem, generując energię wystarczającą do obsługi pamięci zliczającej wykonane obroty.

Metoda Energy Harvesting Technology zastosowana przez firmę Kubler działa prawidłowo nawet w sytuacji, gdy wał enkodera obraca się bardzo wolno. Enkoder wykorzystujący generator napięcia oparty na czujniku Wieganda nie potrzebuje do działania baterii.

Fot. 5. Płytka drukowana enkodera magnetycznego

Metoda magnetyczna ma szereg zalet: konstrukcja enkodera jest uproszczona do minimum, co korzystnie wpływa na cenę, nie ma ryzyka kondensacji pary wodnej, nie ma ograniczeń co do pojemności licznika obrotów, enkoder może mieć niewielkie rozmiary.

Trzeba jednak pamiętać, że enkodery magnetyczne mają gorszą dokładność kątową, rzędu 1°, są wrażliwe na silne, zewnętrzne pole magnetyczne i ze względu na czas odpowiedzi nie nadają się do użycia jako sprzężenie zwrotne w dynamicznych aplikacjach. Konstrukcja magnetyczna nie pozwala też na wykonanie enkodera z otworem przelotowym.

Przetworniki z "przekładnią" magnetyczną są stosowane np. w enkoderach linkowych, nawijarkach kabli, dźwigach, pojazdach specjalistycznych, mogą pracować jako krzywki elektroniczne.

Firma Kubler produkuje enkodery magnetyczne wieloobrotowe jako serię M36xx, która wyróżnia się wysoką rozdzielczością, maks. 14+24 bitów dla obudowy o średnicy 36 mm. Dostępne są interfejsy SSI, CANopen oraz wyjścia analogowe. Wzmocniona odmiana M36xxR ma obudowę wykonaną ze stali nierdzewnej i stopień ochrony IP69k.

Astat
www.astat.com.pl