Jste zde

Princip optických enkodérů polohy pro řízení motorů

Antonín Vojáček, 28. Únor 2006 - 23:08

Pro přesné nastavení polohy klasických motorů nebo pro měření rychlosti otáčení slouží enkodéry. Ty převádějí otáčivý pohyb na elektrický signál. V následujícím článku se pak snažím přiblížit princip a funkci optických rotačních enkodérů.

V robotice a dnes vlastně již téměř ve všech aplikacích, kde se využívají pohony, je nutné zajistit přesné zjišťování momentální polohy natočení hřídele motoru, měřit úhlovou rychlost otáčení nebo zrychlení, aby bylo možné zajistit přesné řízení dané aplikace. V případě použití krokových motorů je možné přímo předem přesně určit a řídit pohyb, úhel natočení nebo rychlost otáčení bez nutnosti zpětné kontroly. U ostatních principů provedení motorů je to nutné zajistit použitím systému zpětné vazby, kdy se prakticky naslepo a nepřesně řídí pohyb motoru a až zpětně se vyhodnocuje o kolik, jak moc nebo jak rychle se vlastní pohyb uskutečnil. Existuje několik možných principů, jak lze vyhodnocení provést. Jednou z nich je použití tzv. rotačního optického enkodéru polohy hřídele (optical shaft encoder), kdy se využívá principu optické závory. Optická vazba optočlenu je zde vytvářena kotoučkem s průchozími nebo odraznými plochami připevněným na hřídeli řízeného motoru.

Obr. 1. Příklad soustavy rotačního optického enkodéru, řízeného motoru a ovládané mechanické soustavy (ramene)

Princip rotačního optického enkodéru pro měření natočení

Velmi stručně se dá uvést, že rotační enkodér (snímač) je elektromechanický převodník, který převádí rotační pohyb na sekvence elektrických digitálních impulsů. V případě zde popisovaného rotačního optického enkodéru je celý systém enkodéru složen z následujících hlavních částí:

Disk s posloupností opticky průhledných (Translucent) a neprůhledných (Opaque) otvorů nebo odrazných a neodrazných plošek
Optickým vysílačem (Light source) - nejčastěji diodou LED vysílající světlo ve viditelném nebo infračerveném spektru
Optickým přijímačem (Photodetector) - fototranzistor nebo fotodioda
Případně může být součástí enkodéru i optika pro zaostření optického paprsku

Princip funkce je zhruba následující: Disk je spojen s otočnou spojovací hřídelí enkodéru (shaft), která je pak v praxi připevněna k hřídeli motoru. Hřídel se tedy otáčí současně s diskem. Světlo vysílané světelným zdrojem (diodou LED), který je umístěn před diskem, může procházet diskem pouze průhlednými okénky (Translucent), zatímco zbývající část disku neprůhledná (Opaque), a pohlcuje světlo. Světelné impulsy vytvářené otáčením disku aktivují optický snímač, který je převádí na elektrické impulsy nebo obdélníkový signál. Aby bylo u snímače zajištěno generování obdélníkových impulsů bez rušení, musí být elektrický signál zesílen a elektronicky zpracován. Pro zlepšení kvality a stability výstupních signálů se může snímat v diferenciálním režimu, kdy se porovnávají dva téměř totožné signály s opačnou fází (tj. fázový rozdíl 180 elektrických stupňů). Snímání rozdílu dvou signálů odstraňuje souhlasné rušení, protože stejné signály libovolného tvaru se vždy překryjí.

Obr. 2. Princip rotačního optického enkodéru

V případě reflexních enkodérů jsou zdroj „světla” i jeho přijímač společně umístěny na jedné straně kolečka, na kterém jsou reflexní a matné plošky. Jejich střídání před přijímačem při otáčení kolečka na něm způsobuje změny napětí v důsledku změny množství detekovaného světla. Provedením prahování napětí na přijímači se získá obdélníkový signál, kde každý obdélník odpovídá jedné reflexní či matné ploše. Při jejich rovnoměrném rozmístění po obvodu kolečka odpovídá jeden obdélník otočení vždy o shodný počet stupňů.

Obr. 3. Princip absolutního optického rotačního enkodéru

Enkodérům generující takovýto pravidelný obdélníkový signál říkáme inkrementální. Mimo výše popsaných inkrementálních enkodérů existují i tzv. absolutní. Zatím co inkrementální enkodéry pouze detekují změnu polohy o pevně daný minimální krok, absolutní enkodéry nám říkají přímo polohu v rámci 360 stupňů. Toho je dosaženo zakódováním každé polohy natočení kotouče, tzn. že každému určitému úhlovému rozsahu odpovídá určitá jedinečná kombinace impulsů.

Absolutní enkodéry v optickém provedení však potřebují větší počet optických přijímačů, jejichž počet odpovídá požadovanému rozlišení. Nejběžnější je provedení dle obrázku 3., kde kotouč (l) obsahuje 8 paralelních drah, což znamená rozlišení 8 bitů. Pro detekci je tak potřeba jeden zdroj světla (2) a 8 optických přijímačů (3), kde každý má vlastní dráhu. Pak například informace o natočení může být binární posloupnost 11001110. Jinou možností realizace je princip, kdy všechny optické přijímače jsou za sebou na kraji kotouče a informace o poloze je dána pomocí jednoznačného kódu. Pro osm poloh a tři senzory by to mohlo být např. 000 001 010 101 011 111 110 100 a na kolečku by bylo 00010111 (v případě tří senzorů a osmi poloh, ale pouze relativní informace bychom získali rozlišení 24 místo 8).

Vyhodnocení signálu z inkrementálního enkodéru

Obr. 4. Provedení inkrementálního enkodéru s detekcí směru pohybu a definovaným počátkem

Inkrementální enkodér obvykle generuje dva obdélníkové průběhy, vzájemně posunuté o 90 elektrických stupňů, které se nazývají kanál A a kanál B (viz obrázek 4.). Zpracováním samotného kanálu A lze získat informaci o rychlosti otáčení, pomocí druhého kanálu je možné podle sekvence stavů generovaných oběma kanály rozeznat i směr otáčení (viz obrázek 5.). K dispozici je ještě další signál, nazývaný Z nebo také nulový kanál, který udává referenční (nulovou) polohu hřídele enkodéru. Tento signál je obdélníkový a ve fázi s kanálem A.

Obr. 5. Princip detekce směru otáčení kotouče enkodérů prostřednictvím použití dvou kanál A a B

Samotná posloupnost dvou, případně tří, obdélníkových signálů z inkrementálního enkodéru však není z pohledu vyhodnocení nebo zobrazení až tak ideální. Nejjednodušší způsob, jak provést převod z uvedených signálů na jednoduše srozumitelné číslo, je použití čítače s možností čítání nahoru a dolu. Pro jednoduché praktické aplikace v průmyslu nebo v zařízeních kutilů pak lze klidně například použít "Multifunkční čítač/časovač v krabičkovém provedení s displejem".

Obr. 6. Příklad převodu výstupního signálu z inkrementálního enkodéru pomocí čítače

Kódování signálu u absolutních enkodérů

Narozdíl od inkrementálních enkodérů je zde kódováním, kdy každé pozici natočení kotouče, resp. hřídele, přesně dán směr pohybu i jeho počátek. Nejběžněji se využívá dvou typů kódování:

Standardního binárního kódování (Standard Binary Encoding)
Grayův kód (Gray coding)

První kód je klasický, principielně jednoduchý a lehce srozumitelný, ale prakticky v případě enkodérů nevýhodný. Standardní binární kód je v případě enkodérů totiž velmi náchylný na generování tzv. hazardních stavů, kdy například při přechodu ze binárního stavu 01 na nejbližší následující stav 10 může být na kotouči krátce generován stav 00. Za to může nejen nedokonalé provedení kolečka enkodéru, ale někdy i optické jevy typu odrazu, ohybu nebo stínu světla procházejícího přes kotouč od vysílače (LED) k přijímači (fotodioda). Pravděpodobnost náhodných nebo i systematických vzniků hazardů je tím větší, čím víc bitů má kód, tedy čím má enkodér vyšší rozlišení (jemnější dělení kotouče = rozsahu 360°). Uvedený problém se pak musí tedy prakticky vyřešit ve snímací elektronice enkodéru. Nejednodušeji to lze provést například metodou taktování signálu, resp. jeho synchronizací s nějakým nějakým hodinovým signálem odvozeným od rychlosti otáčení.

Sektor	Snímač 1	Snímač 2	Snímač 3	Úhel
1	log. 0	log. 0	log. 0	0° to 45°
2	log. 0	log. 0	log. 1	45° to 90°
3	log. 0	log. 1	log. 0	90° to 135°
4	log. 0	log. 1	log. 1	135° to 180°
5	log. 1	log. 0	log. 0	180° to 225°
6	log. 1	log. 0	log. 1	225° to 270°
7	log. 1	log. 1	log. 0	270° to 315°
8	log. 1	log. 1	log. 1	315° to 360°

Tab. 1. Tabulka stavů 3bitového standardního binárního kódování

Sektor	Snímač 1	Snímač 2	Snímač 3	Úhel
1	log. 0	log. 0	log. 0	0° to 45°
2	log. 0	log. 0	log. 1	45° to 90°
3	log. 0	log. 1	log. 1	90° to 135°
4	log. 0	log. 1	log. 0	135° to 180°
5	log. 1	log. 1	log. 0	180° to 225°
6	log. 1	log. 1	log. 1	225° to 270°
7	log. 1	log. 0	log. 1	270° to 315°
8	log. 1	log. 0	log. 0	315° to 360°

Tab. 2. Tabulka stavů Grayova kódování

Obr. 7. Praktické provedení kolečka v kódování ve standardním kódu (vlevo) a Grayově kódu (vpravo)

Příklad praktického provedení optického enkodéru Hewlett-Packard

Jako takový praktický příklad reflexních optických rotačních enkodérů pro malé motory jsem použil enkodér Hewlett-Packard HEDR- 5300-160-15. Princip funkce je myslím jasný - viz obrázek 8. Prostě na kotouček zde opatřený odraznými plochami svítí LED dioda a odražené světlo je pak snímáno přes fokusační optiku několika fotodiodami a následný elektrický signál zpracován a vyslán jako klasický obdélníkový dvoukanálový signál na vývody CH A a CH B. Na obrázku 9. je pak příklad jednoduché instalace takového enkodéru na tělo motoru.

Obr. 8. Příklad provedení a funkce reálného malého enkodéru - Hewlett-Packard

Obr. 9. Připevnění enkodéru Hewlett-Packard HEDR-5300 k tělu motoru

Závěr

Enkodéry jsou dnes již běžnou součástí motorů v aplikacích, kde je potřebné přesné nastavení polohy nebo měření rychlosti otáčení klasickýc analogových motorů. Mimo rotační provedení enkodérů je možné se setkat také s lineárním provedením pro lineární motory. Cílem tohoto článku bylo obecně a jednoduše přiblížit a připomenout princip a funkci tohoto zařízení.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz