Roterande kodare
Roterande kodare är sensorer som omvandlar mekanisk rotationsrörelse till digitala eller analoga signaler och används flitigt inom industriell automation, robotik, CNC‑maskiner, medicinsk utrustning och transportsystem. Genom att detektera vinkelförskjutning, hastighet och riktning ger de exakt återkoppling till styrsystemen. Den här artikeln förklarar i detalj definition, funktionsprinciper, klassificeringar, tekniska parametrar, jämförande analyser, användningsområden, standardregler och urvalsråd för roterande kodare.
Vad är en roterande kodare?
En roterande kodare är en återkopplingsenhet för motorer eller en positionssensor som mäter axelns vinkelförskjutning, hastighet och rotationsriktning. Dess huvuduppgift är att omvandla rotationsrörelse till elektriska signaler som avkodas av en styrenhet för att fastställa aktuell position och rörelsetillstånd. Roterande kodare delas främst in i inkrementella kodare, som ger pulssignaler, och absoluta kodare, som levererar unik positionsinformation.
Funktionsprinciper
Optisk detektering
- En ljuskälla belyser en gitterskiva med transparenta och otransparenta sektorer.
- När skivan roterar genererar en fotodetektor pulssignaler.
Magnetisk detektering
- Använder magnetoresistiva, Hall‑ eller GMR‑sensorer för att känna av ändring av magnetpoler.
Induktiv/kapacitiv detektering
- Förändringar i induktans eller kapacitans registrerar vinkelförskjutning och lämpar sig för hårda miljöer med stark förorening eller vibration.
Logik för utgångssignal
- Inkrementella kodare ger faserna A och B (kvadratur) samt fas Z (nollreferenspuls).
- Absoluta kodare levererar flerbitsbinär kod eller Gray‑kod som unik positionsdata.
Typer
✓ Efter utgångssignal
- Inkrementell – Pulsutgång, lämplig för hastighets‑ och riktningsdetektering.
- Absolut – Unik positionsinformation, enförr eller flervarv.
✓ Efter mekanisk konstruktion
- Solid axel
- Genomgående ihålig axel
- Blind ihålig axel
✓ Efter detekteringsteknik
- Optiska kodare
- Magnetiska kodare
- Induktiva kodare
- Kapacitiva kodare
✓ Efter industriellt protokoll & utgång
- TTL/HTL/RS422
- Sin/Cos
- SSI, BiSS‑C, EnDat
- Profibus, Profinet, EtherCAT, CANopen
Tekniska specifikationer
| Parameter | Intervall/Detaljer |
|---|---|
| Upplösning | 1 till 4 194 304 PPR eller 8 – 24 bitar |
| Maxhastighet | 3 000 – 12 000 RPM, specialmodeller upp till 20 000 RPM |
| Skyddsklass | IP50 – IP68 |
| Arbetstemperatur | –40 °C till +105 °C |
| Elektriska data | 5 V, 10–30 V, utgångsström typiskt < 100 mA |
| Vibrations/stötsäkerhet | IEC 60068‑2: 10–20 g (vibration), 50–200 g (stöt) |
| Utgångssignaltyper | TTL, HTL, RS422, SSI, BiSS‑C, Profinet, EtherCAT |
Fördelar och begränsningar
Fördelar
- Hög upplösning och repeterbarhet.
- Snabb respons för dynamisk reglering.
- Många gränssnitt och kommunikationsprotokoll.
- Utmärkt EMI‑tålighet i komplexa industrimiljöer.
Begränsningar
- Optiska modeller känsliga för smuts.
- Högupplösande versioner kan vara kostsamma.
- Vissa tekniker degraderas vid extrema temperaturer/vibrationer.
Jämförelse med andra vinkelsensorer
| Typ | Noggrannhet | Kostnad | Störningstålighet | Applikationsflexibilitet |
|---|---|---|---|---|
| Potentiometer | Låg | Låg | Svag | Enkla system |
| Resolver | Medel | Medel | Hög | Hög vibration, hög temperatur |
| Roterande kodare | Hög (upp till 24 bit) | Medel/Hög | Hög | Många industriella system |
Tillämpningsområden
- Industriell automation: Motoråterkoppling, robotarmar.
- CNC‑maskiner: Spindel‑ och matningsaxelposition.
- Robotik: Ledkontroll och ban‑återkoppling.
- Medicinteknik: MRI‑ och CT‑rotationsdetektering.
- Hissar och transport: Kabinposition och dörrstyrning.
- Vind‑ och solenergi: Bladvinkel‑ och solspårningssystem.
Industristandarder
- IEC 61800‑5‑2:2016 – Funktionell säkerhet för drivsystem.
- ISO 13849‑1:2015 – Säkerhet för maskinstyrsystem.
- IEC 60529:2020 – Ingress Protection (IP‑kod).
- IEC 60068‑2 – Miljöprovning (vibration, stöt).
- ISO 9001:2015 – Kvalitetsledning för tillverkning.
Vanliga problem och felsökning
| Problem | Möjlig orsak | Åtgärd |
|---|---|---|
| Ingen signalutgång | Ström av, fel kabeldragning, skadad sensor | Kontrollera ström, kabeldragning, byt defekta komponenter |
| Signalförlust eller brus | Störningar, kabelåldrande, mekanisk glapp | Kontrollera jordning, byt kablar, dra åt fästen |
| Felaktig eller fluktuerande utgång | Optisk nedsmutsning, magnetstörning, elektronikåldrande | Rengör optik, ta bort störkällor, byt komponenter |
| Utsignalfördröjning eller tappade steg | Fel protokollkonfiguration eller inkompatibilitet | Verifiera protokoll, inspektera kablar, uppdatera styrenhetens inställningar |
Urvalsguide
- Applikationskrav – Definiera mätparametrar (position, hastighet, riktning).
- Kodartyp – Välj inkrementell eller absolut (en‑/flervarv).
- Detekteringsteknik – Optisk, magnetisk, induktiv eller kapacitiv.
- Upplösning & signal – Anpassa till systemets noggrannhet och gränssnitt.
- Miljötålighet – Bekräfta IP‑klass och vibrations/stötmotstånd.
- Mekaniskt gränssnitt – Axeldiameter, monteringsmetod och belastning.
- Kommunikationskompatibilitet – Säkerställ stöd för PLC eller rörelsereglering.
- Standardefterlevnad – Välj produkter som uppfyller IEC, ISO, UL m.fl.
Referenser
- IEC 61800‑5‑2:2016
- ISO 13849‑1:2015
- IEC 60529:2020
- IEC 60068‑2‑serien
- ISO 9001:2015
Genom att förstå strukturen, funktionsprinciperna, prestandaparametrarna och tillämpningarna för roterande kodare kan ingenjörer och systemintegratörer göra exakta val och effektiv integration, vilket optimerar kontrollprestanda och systempålitlighet.