Wytrzymałość enkoderów optycznych

Poprawne działanie enkoderów optycznych jest uzależnione od stopnia czystości w obrębie obudowy. Wszelkie zanieczyszczenia przenikające do wnętrza przetwornika skutkują błędami pomiaru. Dlatego jednym z problemów, które towarzyszą użytkowaniu enkoderów w trudnych warunkach otoczenia, jest wnikanie wody do środka urządzenia lub kondensacja wewnątrz. Drugi problem dotyczy między innymi enkoderów narażonych na naprzemienne nagrzewanie i ochładzanie. Zabezpieczeniem przed przenikaniem wody do wnętrza enkodera jest wybór urządzenia o stopniu ochrony, który jest dostosowany do wymagań danej aplikacji.

Rozwiązaniem problemu z kondensacją jest np. stosowanie obudowy z jednolitego odlewu, co jest oferowane przez niektórych producentów. Pod wpływem wibracji dysk może np. zostać zarysowany, a pod wpływem silnego uderzenia może nawet dojść do zniszczenia tarczy. Dlatego ważnym czynnikiem jest też mechaniczna wytrzymałość enkoderów. Negatywnym zjawiskiem, powodującym zbyt duże obciążenie enkodera, jest także brak współosiowości wałka enkodera i obrotowej części maszyny, do której przetwornik jest zamocowany. Prowadzi to do szybszego zużycia łożysk. Dlatego warto zwrócić uwagę na maksymalne dopuszczalne obciążenia promieniowe i osiowe, których nie wolno przekraczać oraz na wykonanie łożysk, których wytrzymałość wpływa na czas użytkowania enkoderów.

Modyfikacje w enkoderach SENDIX

W celu zapewnienia bezpiecznej pracy nawet w trudnych warunkach panujących w przemyśle producenci wprowadzają w enkoderach kolejne zmiany konstrukcyjne. Przykładem jest seria enkoderów Sendix firmy Kübler. W przetwornikach tej serii zmodyfikowano osadzenie podwójnych łożysk. Dzięki temu zmniejszyło się prawdopodobieństwo uszkodzenia dysku, „zgubienia impulsów”, uzyskano też większą tolerancję błędów instalacyjnych i żywotność. Znacznie podniesiono także stopień szczelności do IP67 oraz zwiększono zakres temperatury pracy enkoderów od –40 do +85°C. Bezpieczeństwo zapewniają też diody diagnostyczne na obudowie enkodera, jednoznacznie identyfikujące status pracy enkodera.

Ponadto w enkoderach absolutnych wieloobrotowych w miejsce przekładni elektronicznych Kübler wprowadził przekładnie mechaniczne Taka modyfikacja pozwala enkoderom pracować w silnych polach elektromagnetycznych, np. przy hamulcach magnetycznych. Do budowy przekładni mechanicznych zastosowano odpowiednie materiały, a na pierwszej przekładni zostało założone łożysko. Dzięki temu enkoder nadal może pracować w aplikacjach wysokodynamicznych.

Przetworniki drogi z linką pomiarową Przetworniki tego rodzaju mierzą przemieszczenie liniowe ruchomych elementów, do których doczepiana jest stalowa linka. Zasadniczym elementem przetwornika jest bęben, na który jest nawijana linka. Bęben jest połączony z elementem pomiarowym, którym może być enkoder, jak również np. potencjometr. Zaletą stosowania przetworników z linką pomiarową jest większa, niż w przypadku innych metod, swoboda w instalacji. Często linkę jest dużo łatwiej zaczepić i zmieścić tam, gdzie obszar instalacji jest ograniczony i montaż samego czujnika pomiarowego jest niemożliwy lub utrudniony. Ponadto używanie linki jest możliwe także w trudnych warunkach, które wpływają niekorzystnie na sam przetwornik pomiarowy, np. wysokie temperatury. Bęben z wrażliwym elementem, np. enkoderem, może w takim wypadku zostać skutecznie odizolowany

Enkoder optyczny czy magnetyczny

Enkodery optyczne zapewniają dużą rozdzielczość i dokładność pomiaru. Natomiast większa wytrzymałość i dłuższy czas życia to cechy charakterystyczne enkoderów magnetycznych i pojemnościowych, które opisane zostały poniżej.

Enkodery magnetyczne

Problemy związane z wpływem zanieczyszczeń na dokładność pomiaru praktycznie nie dotyczą enkoderów magnetycznych. Ewentualne zanieczyszczenia, które dostaną się do środka obudowy enkodera tego rodzaju, w mniejszym stopniu wpływają na detekcję sygnału użytecznego, którym w tym wypadku są zmiany pola magnetycznego. Czujniki tego rodzaju charakteryzuje także większa odporność na wibracje i uderzenia. Metoda pomiaru enkoderów optycznych i magnetycznych jest co do zasady zbliżona. Na przykład enkodery magnetyczne absolutne mogą składać się z dwóch następujących elementów: wirującej tarczy z kodem naniesionym magnetycznie i czujnika, który mierzy zmiany pola magnetycznego. Do pomiaru pola są wykorzystywane np. czujniki Halla. Napięcie z czujnika jest przetwarzane do postaci kodu cyfrowego odzwierciedlającego pozycję tarczy.

Czujniki w enkoderach magnetycznych

W enkoderach magnetycznych stosowane są zasadniczo dwa rodzaje czujników pola magnetycznego: wspomniane czujniki Halla oraz czujniki magnetorezystywne. Oba typy przetworników mają odmienne cechy, które powodują, że znajdują one zastosowanie w różnych aplikacjach. Czujniki magnetorezystywne nie nadają się do wyznaczania bezwzględnej pozycji w ramach jednego obrotu, mają nieliniową charakterystykę z histerezą oraz są wrażliwe na wpływ zewnętrznego pola magnetycznego. Czujniki Halla są pod tymi względami przeciwieństwem przetworników magnetorezystywnych – umożliwiają pomiar bezwzględnej pozycji, a ich charakterystyka jest liniowa. Ponadto pomiar różnicowy z kilku czujników Halla pozwala zredukować wpływ zewnętrznego pola magnetycznego na poprawność wyników. Z tego względu czujniki Halla są w enkoderach magnetycznych częściej stosowane.

Enkodery magnetyczne firmy Renishaw w technologii OnAxis Renishaw ma w swojej ofercie enkodery magnetyczne konstruowane w oparciu o technologię OnAxis. Moduł enkodera składa się w takim wypadku z dwóch części: układu typu ASIC, który zawiera matrycę czujników Halla oraz magnesu, obracającego się nad tym układem. Pod wpływem zmian strumienia magnetycznego układ czujników wytwarza sygnały napięciowe typu sinus i kosinus, które są przetwarzane na bezwzględną wartość położenia kątowego. Matryca Czujniki w matrycy są ułożone na kształt okręgu, z równym kątem między sąsiednimi sensorami. Minimalnie matryca musi składać się z czterech czujników. Średnica okręgu matrycy czujników nie powinna być większa niż średnica magnesu użytego w enkoderze. Czujniki są w ramach okręgu pogrupowane w ćwiartkach. W każdej ćwiartce jest taka sama liczba czujników, które generują odpowiednie sygnały, np. s1, s2, s3 i s4. Sygnały te są przesunięte w fazie o 90°. Odpowiednie sumowanie tych sygnałów umożliwia uzyskanie sygnału sinusoidalnego i kosinusoidalnego według zależności: sinus = s1+s2–s3–s4 oraz kosinus = s1–s2–s3+s4. Magnes Magnes stały jest wykonywany zazwyczaj z jednego z następujących materiałów (głównie ziem rzadkich): SmCo (magnes samaro-kobaltowy) lub NdFeB (magnes neodymowy). Wymagane jest zastosowanie silnych magnesów, tak by użyteczne zmiany pola magnetycznego mogły przewyższać pola magnetyczne występujące w otoczeniu enkodera. Zarówno SmCo, jak i NdFeB posiadają cechy, determinujące ich zastosowanie w określonych aplikacjach. NdFeB, ponieważ zawiera żelazo, jest materiałem korozyjnym, co wymusza odpowiednie zabezpieczenie magnesu. Ponadto maksymalna temperatura pracy wynosi 150°C. W wyższych temperaturach materiał może się rozmagnesować. Dla porównania magnesy samaro-kobaltowe mogą pracować w temperaturach dochodzących do 300°C i nie wymagają zabezpieczenia antykorozyjnego.

Zalety przetworników magnetycznych

Najczęściej wymienianą wadą enkoderów magnetycznych jest rozdzielczość, która w porównaniu do enkoderów optycznych jest mniejsza. Należy jednak pamiętać o zaletach przetworników magnetycznych, takich jak: duży zakres temperatur pracy (od temperatur minusowych do powyżej 100°C), duża prędkość, możliwość odseparowania elementów pomiarowych od części mechanicznej przetwornika oraz pomiar przemieszczenia absolutnego i przyrostowego.

Dzięki tym zaletom w pewnych zastosowaniach enkodery magnetyczne są niezastąpione, nawet kosztem nieco mniejszej rozdzielczości. W przypadku konieczności zastosowań enkoderów w ekstremalnie trudnych warunkach środowiskowych, stosować można specjalne rozwiązania, takie jak przykładowo produkty Magres hermetic firmy Baumer Electric. Elementy te charakteryzują się stopniem ochrony IP68, IP69K i wykonywane są ze stali nierdzewnej, co umożliwia ich stosowanie w środowiskach agresywnych chemicznie. Więcej informacji w prezentacji firmowej za raportem rynkowym.

Enkodery pojemnościowe

Rys. 3.Przetwornik pojemnościowy firmy Netzer Precision Motion Sensors: (a) trzyczęściowy i (b) dwuczęściowy (źródło: Netzer Precision Motion Sensors)

Na polskim rynku można znaleźć także przetworniki pojemnościowe np. firmy Netzer Precision Motion Sensors (w ofercie firmy Wobit). Działają one w oparciu o opatentowaną technologię Electric Encoder. Metoda pomiaru w tym wypadku opiera się na zmianie pojemności, która odpowiada zmianie położenia elementu obrotowego. Przetworniki tego typu są wykonywane jako dwu- lub trzyczęściowe (rys. 3 a i b). W trzyczęściowym czujniku zamkniętym w ekranowanej obudowie pole elektryczne między nieruchomymi okładkami kondensatora jest zaburzane przez poruszający się element z dielektryka.

Natomiast w przetworniku drugiego typu jedna płytka jest nieruchoma, a druga jest połączona z obrotowym wałkiem. W obu przypadkach na podstawie zmian pojemności generowany jest sygnał elektryczny, który po odpowiednim przetworzeniu niesie informację o absolutnym przemieszczeniu obrotowego elementu. Zaletą technologii pojemnościowej jest możliwość budowy przetworników, które mogą pracować w szerokim zakresie temperatur, nawet powyżej 100°C.

Cechą charakterystyczną tej metody pomiaru jest też mały pobór energii. Ze względu na brak szklanej tarczy, podobnie jak w przypadku przetworników magnetycznych, enkodery pojemnościowe są odporne na uszkodzenia mechaniczne. Duża dokładność oraz niezawodność sprawiają, że przetworniki pojemnościowe są stosowane nie tylko w automatyce, ale też np. w elektronicznych układach sterowania w pojazdach. Oprócz przetworników firmy Netzer Precision Motion Sensors enkodery pojemnościowe (produkcji Camille Bauer) można znaleźć w ofercie firmy Astat.

Enkoder w sterowniku silnika krokowego Regulacja z wykorzystaniem enkodera Ezi-Servo to sterownik silników krokowych wykorzystujący metodę regulacji w pętli sprzężenia zwrotnego. Aktualna pozycja wału silnika jest śledzona dzięki zastosowaniu enkodera o dużej rozdzielczości. Dane o pozycji są aktualizowane co 25μs. Przy nagłej zmianie obciążenia, która powoduje utratę synchronizacji silnika sterownik kompensuje pozycję wału. W ten sposób eliminowane jest zjawisko utraty kroku.Zastosowanie sterowania w zamkniętej pętli pozwala też wyeliminować konieczność regulacji wzmocnienia układu wzmacniacza, która może być skomplikowana w zależności od rodzaju obciążenia. Tabela 4. Dane techniczne EziServo Sterownik Ezi-Servo znajduje zastosowanie przede wszystkim w układach o niezbyt sztywnej charakterystyce obciążenia (układy taśmowe, przekładnie pasowe). Zaletą Ezi-Servo jest także eliminacja zjawiska kołysania wału silnika, co jest ważne przy sterowaniu precyzyjnymi urządzeniami, np. w systemach wizyjnych. Produkty Ezi-Servo dostępne są w ofercie opolskiej firmy Eldar.

Podsumowanie

Mimo pewnych wad enkodery optyczne cieszą się obecnie największą popularnością na rynku. W związku z tym większość producentów napędów i sterowników PLC implementuje możliwość współpracy z tymi przetwornikami. Resolwery pod tym względem nie cieszą się już taką popularnością, mimo że do niedawna były szeroko stosowane w przemyśle. Wynikało to głównie z dużej wytrzymałości na trudne warunki otoczenia, zwłaszcza na długotrwałą pracę w wysokich temperaturach i przy dużych wibracjach. Jednak obecnie są używane coraz rzadziej, głównie ze względu na bardziej wytrzymałe enkodery, nie tylko optyczne, które stopniowo opanowują rynek.

Monika Jaworowska