Rotační enkodér
Rotační enkodéry jsou senzory, které převádějí mechanický rotační pohyb na digitální nebo analogové signály a jsou široce používány v průmyslové automatizaci, robotice, CNC strojích, lékařských zařízeních a dopravních systémech. Detekováním úhlového posunu, rychlosti a směru poskytují přesnou zpětnou vazbu řídicím systémům. Tento článek podrobně vysvětluje definici, pracovní principy, klasifikace, technické parametry, komparativní analýzu, aplikační scénáře, standardní předpisy a pokyny pro výběr rotačních enkodérů.
Co je rotační enkodér
Rotační enkodér je zařízení pro zpětnou vazbu motoru nebo polohový senzor používaný k měření úhlového posunu, rychlosti a rotačního směru hřídele. Jeho hlavní funkcí je převádět rotační pohyb na elektrické signály, které jsou dekódovány řídicím zařízením k určení aktuální polohy a stavu pohybu zařízení. Rotační enkodéry jsou obvykle kategorizovány na inkrementální enkodéry, které vydávají pulsní signály, a absolutní enkodéry, které poskytují jedinečné informační údaje o poloze.
Principy fungování
Optické detekce
- Používá světelný zdroj k osvětlení mřížkového disku s průhlednými a neprůhlednými sekcemi.
- Jak disk rotuje, fotodetektor generuje pulsní signály.
Magnetická detekce
- Používá magnetorezistivní, Hallovu nebo obří magnetorezistenci (GMR) senzory k detekci změn magnetických pólů.
Indukční/Kapacitní detekce
- Změny v indukčnosti nebo kapacitě jsou používány k detekci úhlového posunu, vhodné pro náročné prostředí (vysoká kontaminace, vibrace).
Logika výstupního signálu
- Inkrementální enkodéry vydávají fáze A a B (kvadratura) a fázi Z (nula referenčního pulsu).
- Absolutní enkodéry poskytují jedinečné vícebitové binární nebo Gray kódové signály.
Typy
✓ Podle výstupního signálu
- Inkrementální: Vydává pulsní signály, vhodné pro detekci rychlosti a směru.
- Absolutní: Vydává jedinečnou informaci o poloze, jednorázové nebo vícenásobné otáčky.
✓ Podle mechanické struktury
- Pevná hřídel
- Prázdná hřídel
- Slepá prázdná hřídel
✓ Podle detekční technologie
- Optické enkodéry
- Magnetické enkodéry
- Indukční enkodéry
- Kapacitní enkodéry
✓ Podle průmyslového protokolu a výstupu
- TTL/HTL/RS422
- Sin/Cos
- SSI, BiSS-C, EnDat
- Profibus, Profinet, EtherCAT, CANopen
Technické specifikace
| Parametr | Rozsah/Podrobnosti |
|---|---|
| Rozlišení | 1 až 4 194 304 PPR nebo 8 až 24 bitů |
| Maximální rychlost | 3000 až 12 000 ot/min, speciální modely až 20 000 ot/min |
| Ochranné krytí | IP50 až IP68 |
| Provozní teplota | -40°C až +105°C |
| Elektrické parametry | 5V, 10-30V, výstupní proud obvykle < 100mA |
| Odolnost proti vibracím/šokům | IEC 60068-2: 10-20g (vibrace), 50-200g (šok) |
| Typy výstupních signálů | TTL, HTL, RS422, SSI, BiSS-C, Profinet, EtherCAT |
Výhody a omezení
Výhody:
- Vysoké rozlišení a opakovatelnost.
- Rychlá odezva vhodná pro dynamické řízení.
- Různé rozhraní a komunikační protokoly.
- Vynikající odolnost proti elektromagnetickému rušení pro složité průmyslové prostředí.
Omezení:
- Optické typy jsou citlivé na kontaminaci.
- Modely s vysokým rozlišením mohou být nákladné.
- Některé technologie se mohou degradovat při extrémních teplotách/vibracích.
Porovnání s jinými úhlovými senzory
| Typ | Přesnost | Cena | Odolnost proti rušení | Aplikační flexibilita |
|---|---|---|---|---|
| Potentiometr | Nízká | Nízká | Špatná | Jednoduché systémy |
| Resolver | Střední | Střední | Vysoká | Vysoké vibrace, vysoké teploty prostředí |
| Rotační enkodér | Vysoká (až 24 bitů) | Střední/Vysoká | Vysoká | Různé průmyslové systémy |
Aplikační oblasti
- Průmyslová automatizace: Zpětná vazba motoru, robotické paže.
- CNC stroje: Zpětná vazba polohy vřetena a osy krmiva.
- Robotika: Řízení kloubů a zpětná vazba pohybu.
- Lékařská zařízení: MRI, detekce otáčení CT skeneru.
- Výtahy a doprava: Polohování kabiny a zpětná vazba řízení dveří.
- Větrná a solární energie: Úhel lopatky a sledování slunce.
Průmyslové normy
- IEC 61800-5-2:2016: Funkční bezpečnost pohonných systémů.
- ISO 13849-1:2015: Bezpečnost řídicích systémů strojů.
- IEC 60529:2020: Ochranný kryt (IP kód).
- IEC 60068-2: Testování prostředí (vibrace, šok).
- ISO 9001:2015: Systémy řízení kvality výroby.
Běžné problémy a řešení
| Problém | Možná příčina | Řešení |
|---|---|---|
| Žádný výstupní signál | Vypnutý napájení, chyby v zapojení, poškozený senzor | Zkontrolujte napájení, zapojení, vyměňte poškozené komponenty |
| Kolísání nebo ztráta signálu | Rušení, stárnutí kabelů, mechanické uvolnění | Zkontrolujte uzemnění, vyměňte kabely, dotáhněte spoje |
| Chyba nebo kolísání výstupu | Optická kontaminace, magnetické rušení, stárnutí elektroniky | Vyčistěte optické komponenty, eliminujte zdroje rušení, vyměňte komponenty |
| Zpoždění nebo ztráta kroku | Nesprávná konfigurace protokolu nebo nekompatibilita | Ověřte protokol, zkontrolujte zapojení, aktualizujte nastavení řídicího zařízení |
Průvodce výběrem
- Požadavky aplikace: Určete parametry měření (poloha, rychlost, směr).
- Typ enkodéru: Vyberte inkrementální nebo absolutní (jednorázový/ vícenásobný).
- Detekční technologie: Optická, magnetická, indukční nebo kapacitní.
- Rozlišení a signál: Zvolte vhodné rozlišení a požadavky na rozhraní.
- Vhodnost pro prostředí: Ověřte stupeň krytí a odolnost proti vibracím/šokům.
- Mechanické rozhraní: Průměr hřídele, montážní metoda a požadavky na zátěž.
- Kompatibilita s komunikací: Zajistěte kompatibilitu s PLC nebo pohybovými řídicími systémy.
- Normy souladu: Preferujte produkty splňující normy IEC, ISO, UL a další mezinárodní normy.
Odkazy
- IEC 61800-5-2:2016
- ISO 13849-1:2015
- IEC 60529:2020
- IEC 60068-2 Series
- ISO 9001:2015
Díky důkladnému pochopení struktury, principů fungování, technických parametrů a aplikací rotačních enkodérů mohou inženýři a systémoví integrátoři dosáhnout přesného výběru a integrace systému, optimalizace výkonu řízení a spolehlivosti systému.