Механические и оптические энкодеры
- Изображения оборудования
Энкодер, или преобразователь угловых перемещений, – это электромеханическое устройство, которое преобразует угловое движение вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить его положение.
Энкодеры практически полностью заменили распространенные ранее сельсины и широко применяются во многих областях. Они входят в состав разнообразных машин, требующих точной регистрации параметров движения, таких как:
- печатные станки,
- металлообрабатывающие станки,
- лифтовая техника,
- оборудование для фасовки, упаковки и розлива,
- оптические системы (фотообъективы, телескопы),
- устройства ввода информации (мыши, трекболы),
- испытательные стенды,
- роботы и др.
Преобразователи угловых перемещений подразделяются на два типа – абсолютные энкодеры и инкрементные (относительные).
- Показывает текущее положение вращающегося объекта
- Формирует сигнал как во время вращения объекта, так и в режиме покоя
- Высокая точность (до десятых долей градуса)
- Абсолютное значение углового положения объекта сохраняется даже в случае исчезновения и восстановления питания
- При включении устройства за начальное значение угла принимается нулевое
- Основной параметр – количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют путем подсчета импульсов от старта
- Если объект неподвижен, передача сигналов прекращается
- Простота
- Надежность
- Низкая стоимость
По принципу действия различают магнитные, магниторезисторные, механические и оптические энкодеры.
Оптические энкодеры
В данном устройстве луч света, направленный светоизлучающим диодом, прерывается вращающимся диском, расположенным между приемником и передатчиком света и жестко закрепленным на валу контролируемого объекта. Вращающийся диск имеет в конструкции специальные прорези/щели (или непрозрачные штрихи), либо вместо диска может быть лента с областями с разной отражающей способностью.
Механические энкодеры
Механические энкодеры содержат диск из диэлектрика с нанесёнными выпуклыми, проводящими участками. Считывание абсолютного угла поворота диска производится линейкой контактов.
Ключевое преимущество оптических энкодеров – бесконтактная технология переключения, благодаря которой долговечность устройств увеличивается на порядок.
Электрическими выходными сигналами для инкрементного энкодера являются квадратурные сигналы: последовательные импульсы, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Любое разрешение углового положения может быть выражено не в абсолютной форме, а только относительно некоторой опорной точки.
Для абсолютного энкодера вместо последовательного потока битов выводится уникальный цифровой код для каждого дискретного положения вала. Чаще всего используется код Грея, двоичное и двоично-десятичное кодирование.
ПРОЧИП представляет энкодеры фирмы Grayhill – крупнейшего американского производителя надежных компонентов для ответственных применений. В продуктовой линейке – как абсолютные, так и инкрементные энкодеры.
Оптические и механические энкодеры Grayhill
ПРОЧИП предлагает широкий выбор оптических и механических энкодеров с различным способом подключения и набором опций (рукоятка, встроенный кнопочный переключатель, джойстик). Все энкодеры предназначены для промышленного применения.
- распечатать
- отправить ссылку
- новинка
- уцененный товар
- снято с производства
Энкодер что это в мышке
Энкодер из оптического датчика мыши Logitech
Автор: Хатуль_мадан
Опубликовано 10.06.2022
Создано при помощи КотоРед.
Немного истории.
Началось все с того, что понадобились энкодеры (валкодеры, кому как нравится) для некоторых самоделок. Механические обладают рядом недостатков, таких как: дребезг контактов, быстрый износ и др. Поэтому, для контроля вращения мотора, например, оптимально подходят оптические датчики. Их выбор невелик. Те, которые в составе имеют пару фотоэлементов (два фототранзистора), и те, которые с цифровым выходом, в основном, от мышек фирмы Logitech. Более навороченные, с фотоматрицами и лазерным считыванием, рассматривать не будем, их цена не для самоделок. Так вот, самый популярный вариант — это со сдвоенным фотодатчиком. Включение простое, настройка легкая, иногда требуется небольшое усиление сигнала, или компаратор, т.к. сигнал аналоговый. При медленном вращении вала на выходе плавно меняющееся напряжение. Со всем можно смириться, но такие датчики стояли в очень старых мышках с шариком. Сейчас таких почти не найти. В наше время пока очень популярны дешевые мышки фирмы Logitech, в которых тоже встречаются оптические датчики (но все чаще применяют механические энкодеры). Беда в том, что много лет не мог найти в сети толкового описания протокола обмена с таким датчиком, все заканчивалось на упоминании двух импульсов при опросе. А недавно вновь понадобился энкодер для модернизации одного устройства, пришлось взять рабочую (но подглючивающую) мышку и самому изучить, что же происходит при опросе оптического датчика. Очень подробно описывать не буду, все материалы во вложениях в конце статьи.
Подопытная мышка Logitech B100. Датчик в ней H6z02, сверху EL. Питание подавал от зарядника телефона +5В. Светодиод матрицы при этом не горит. Распайка датчика: вид сзади, ноги вниз: 1-пин общий, 2-пин +5В, 3-пин выход. Так вот, для того, чтобы увидеть, что происходит в шине обмена с датчиком, понадобился двухканальный осциллограф и небольшая тестовая схемка, на МК типа PIC10F322
Всем управляет контроллер мыши. Периодически от него подается сигнал, чтобы зажечь светодиод, период 200мкС и длительность импульса 25мкС. Так как у PIC10F322 всего три ноги, работающие на выход, то входную RA3 использовал для синхронизации с контроллером мыши. На двух выходных ножках формируем сигнал традиционного инкрементального энкодера (светодиоды в помощь), а еще одна как раз для обмена с датчиком. Почему именно PIC10F322? Потому, что есть и много, наши друзья китайцы прислали по 33р за штуку. Но полноценный энкодер лучше сделать на 8-и ногом МК, типа PIC12F629, или PIC12F683, или на атини, при изменении программы. Исходники программы тоже прилагаются, там ничего сложного нет, переделка под любой МК не займет много сил. Так вот, кратко: после импульсов на светодиод примерно через 130. 140мкС начинается опрос датчика, ножка МК настраивается на выход и подается высокий уровень на 2. 3мкС, затем на такое же время подается низкий уровень, затем ножка переводится на вход, т.е. этот спад импульса является сигналом датчику на вывод информации, и уже датчик выставляет низкий уровень на шине, если нет вращения, или высокий уровень, если вращение вправо. МК опрашивает шину и фиксирует поворот, если он был. Второй импульс опроса происходит полностью аналогично: МК дает фронт на 2мкС, потом спад на 2мкС, освобождает шину и опрашивает датчик. Если после второго импульса датчик выставил высокий уровень, то вращение влево, если низкий, то вращения нет. Вот и весь протокол обмена. Проверял еще на одной мышке Logitech RX250, и все то же самое, только импульсы с промежутком в 10мкС. Вот картинки, как все проверялось, сам МК на тестовой плате:
И как все цепляется к мышке:
Теперь, некоторые практические размышления. В программе анализируется вращение и преобразуется в код инкрементального энкодера из 4 комбинаций, который выводится на ноги МК, и который, в свою очередь, тоже нужно анализировать еще одним основным МК. Это все отнимает время и усложняет процесс основной программы. Даже если делать полноценную схему на более крупном контроллере (в архиве схема вариант3), то от частого опроса (каждые 200мкС) никто не избавляет. Поэтому появилась идея, раз уж применять маленький МК, то пусть он и занимается сбором информации именно от датчика, а по запросу, например, каждые 10. 100мС, можно скидывать накопленное по упрощенному SPI интерфейсу, тогда и ног у PIC10F322 хватает на все, и основной МК не отвлекается на опрос. Вот схема, ничем не сложнее:
Такой обмен может быть организован, или с запросом от основного МК, выставив низкий уровень на шине CLK, или, если энкодер повернули, то на ноге Data выставляем низкий уровень, что служит сигналом о вращении и необходимости обмена. В модели все работает, упрощенно немного, но если дойдет до практического применения, то доработать не сложно.
В заключении хочу сказать, что сегодня за пару часов был собран вполне применимый на практике энкодер в корпусе переменного резистора, и даже торцевая кнопочка удачно разместилась (фото прилагаются). Работает прекрасно, лучше, чем такой же на аналоговых сдвоенных фотодатчиках. Почему-то с них у меня выходят синусоиды, сдвинутые по фазе (в файле исследований он тоже есть). Эту тему начали обсуждать уже давно, с 2014 года, вот на днях продолжили вот тут:
Как вставлять видео работы я еще не научился. Если есть вопросы, пишите в ту же ветку форума.
Что такое энкодер и его сферы использования?
Наряду с энкодерами, нередко используются и датчики температуры, поскольку там, где есть механическое или любое другое движение возникает трение и рост температуры, значения которой не должны превышать допустимых норм.
Сферы применения энкодеров
Энкодер используется в:
- печатной промышленности – вращение валов, по которым проходит печатная бумага и краска;
- металлообработке – вращение валов с металлическими лентами и т.д;
- робототехнике – движение разных частей тела робота;
- автомобильной технике – определение положения колес при повороте;
- городском хозяйстве — лифтовой технике;
- пищевая, химическая промышленность — автоматы для фасовки, упаковки и разлива;
- электро-вычислительная техника — компьютерные мыши;
- электротехника – сервомоторы и прочих устройствах, требующих точных измерений показателей движения элементов и объектов.
Учитывая то, что как минимум в пяти из девяти пунктов используются установки, принцип работы которых основан на давлении воздуха/масла/краски, то не лишними будут и датчики давления. Они позволят вовремя определить уровень износа постоянно работающих механизмов и заменить их без вреда для производства.
Выбирая электронное, электронно-механическое и механическое оборудование в интернет-магазине «Энергопуск», вы обеспечиваете свое производство или дом только качественными устройствами, которые будут достойно служить вам.
Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:
8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Пт)
Энкодер
Энкодер — это устройство преобразующее линейное или угловое перемещение в последовательность сигналов, позволяющих определить величину перемещения.
Т.о. можно выделить линейные и поворотные энкодеры.
Поворотный энкодер (иначе — датчик угла поворота) — устройство, преобразующее угол поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить этот угол.
Датчики угла поворота широко применяются в автоматике (например — в сервоприводах).
Энкодеры бывают двух типов:
1. абсолютный — энкодер возвращает своё абсолютное положение.
Пример: переменный резистор в сервомашинке.
2. инкрементный — энкодер выдаёт импульсы, означающие изменение его положения
Пример: энкодер используемый на колёсике компьютерной мышки.
Кроме того, энкодеры различаются по принципу действия:
1) с щеточными контактами;
2) резисторные (потенциометры);
3) оптические;
4) магнитные (на датчиках Холла);
5) индуктивные;
6) ёмкостные.
Пример использования магнитного энкодера мы видели у робота-пылесоса Neato XV-11, 
— на валу двигателя закреплён пластиковый диск с магнитиками, на которые реагирует датчик Холла.
А стандартный оптический энкодер мы можем наблюдать у роботов-пылесосов iRobot Roomba 400-серии (iRobot Create),
или в компьютерных мышках. 
Принцип действия оптического энкодера:
направленный на фотодетектор, луч света периодически прерывается диском со специальными прорезями, вращающимся на валу двигателя/колеса.
В любительской робототехнике, наибольшее распростронение получили именно оптические энкодеры, которые могут быть либо в виде диска со специальными прорезями/щелями (или прозрачный диск с непрозрачными штрихами), либо в виде диска/ленты с областями с разной отражающей способностью.
Т.о., оптические энкодеры работают по двум принципам:
* на просвет;
* на отражение.
В обоих случаях, фотоприёмник, фиксирует переход от одной области к другой и энкодер может сгенерировать импульс, инкрементирующий «счётчик положения».
Так же, можно разделить энкодеры по типу считываемой информации:
* Одиночный энкодер — считаем количество импульсов
Плюсы:
+ самый простой и доступный вариант энкодера (только один датчик — излучатель+приёмник).
Минусы:
— ошибки инициализации (при старте системы, не ясно в каком положении находтся энкодер);
— ошибки при подсчете импульсов на границах ( возможны ложные срабатывания из-за «дребезга»;
— невозможность определить направление движения.
* Сдвоенный (квадратурный) энкодер — считаем количество импульсов, учитывая направление.
Разновидность инкрементального энкодера, которая состоит из двух датчиков срабатывающих со смещением в полшага, что позволяет практически полностью гарантировать отсутствие ложных срабатываний на границе одного из энкодеров.
Плюсы:
+ относительная простота реализации (два датчика);
+ отсутствие ошибок при подсчете импульсов;
+ возможно определить направление вращения.
Минусы:
— ошибки инициализации (при старте системы, не ясно в каком положении находимся).
* Энкодер на двоичных кодах — позволяет считывать точное положение в каждый момент времени.
Плюсы:
+ отсутствие ошибок инициализации (при старте системы, ясно в каком положении находимся);
+ нет ошибок при подсчете импульсов, т.к. такой задачи просто нет;
+ возможно определить направление вращения.
Минусы:
— относительная сложность реализации (несколько датчиков);
— проблемы с граничными положениями (если меняется одновременно более 1 бита, то можно временно получить некорректное положение);
— ограничения в разрешающей способности (для большей точности требуется больше каналов).
* Энкодер на кодах Грэя — позволяет считывать точное положение в каждый момент времени.
Плюсы:
+ отсутствие ошибок инициализации (при старте системы, ясно в каком положении находимся);
+ отсутствие ошибок при подсчете импульсов на границах;
+ возможно определить направление вращения;
+ отсутствие проблемы с граничными положениями (одновременно меняется не более 1 бита).
Минусы:
— относительная сложность реализации (несколько датчиков);
— ограничения в разрешающей способности (для большей точности требуется больше каналов).
Для самостоятельного изготовления энкодера потребуются:
1. диск с прорезями (можно изготовить самостоятельно — например, травлением) или найти готовый (например, в компьютерной мышке)), а можно наоборот — распечатать на плёнке для принтеров чёрные штрихи по кругу или диск с контрастным рисунком (просто распечатать на бумаге и приклеить к диску или колесу)
2. фото-датчик (светодиод + фото-приёмник).
Для энкодеров «на отражение» можно использовать фотопрерыватель (photo-interrupter), который в одном корпусе содержит оба элемента.
различные варианты паттернов энкодеров:
Пример энкодера в колесе от Pololu
На плате стоят фотопрерыватели, фиксирующие отражённый сигнал от белых зубцов внутри колеса.