Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Энкодер — это датчик, который преобразует механическое вращение вала в электрический сигнал, пригодный для обработки контроллером. Чтобы понять, как работает энкодер, достаточно проследить один тракт: чувствительный элемент считывает положение или приращение угла поворота кодового диска, а электронная схема превращает это считывание в импульсы или цифровое слово. Ниже разобраны оба принципиальных семейства — инкрементные и абсолютные преобразователи угловых перемещений, их оптическое и магнитное исполнение, способы задания разрешения и интерфейсы вывода данных.
Энкодер (датчик угла поворота, преобразователь угловых перемещений) предназначен для измерения параметров вращающегося объекта — угла поворота вала, направления, частоты вращения и положения детали относительно базовой точки. Прибор регистрирует эти величины и формирует электрические сигналы, несущие соответствующую информацию для системы управления.
В основе любого преобразователя угловых перемещений лежит измерительный диск (растровый или кодовый), жёстко связанный с валом, и чувствительный элемент, который реагирует на изменение прозрачности, отражательной способности либо магнитного поля при повороте диска. Результат считывания обрабатывается электронной схемой и выводится в виде последовательности импульсов либо цифрового кода положения.
Энкодер выполняет одно базовое преобразование: механический угол поворота вала → электрический сигнал (импульсный или кодовый), который читает контроллер.
По форме выходного сигнала и принципу формирования информации преобразователи делятся на два основных класса — инкрементные (выдают приращение угла в виде импульсов) и абсолютные (выдают однозначный код текущего положения). Внутри каждого класса различают исполнения по физическому принципу считывания: фотоэлектрическое (оптическое), магнитное, а также ёмкостное и индукционное.
Рассмотрим тракт считывания на примере оптического исполнения как наиболее наглядного. На валу закреплён диск с равномерно нанесёнными прозрачными и непрозрачными секторами (штрихами, растром). С одной стороны диска расположен источник света — светодиод, с другой — фотоприёмник (фотодиод или фототранзистор). При вращении диска штрихи поочерёдно пропускают и перекрывают световой поток, и на фотоприёмнике формируется чередование освещённых и затемнённых состояний, преобразуемое в электрические импульсы.
В магнитном исполнении кодовый диск заменён намагниченным элементом с чередующимися полюсами, а считывание выполняет магниточувствительный элемент (например, магниторезистивный или на эффекте Холла), реагирующий на изменение поля при повороте вала. Принцип определения положения тот же, что и в оптическом приборе, но носителем информации служит магнитное поле, а не свет.
Дальнейшее зависит от класса прибора: инкрементный энкодер передаёт приращения, которые контроллер суммирует относительно начальной точки, а абсолютный сразу выдаёт однозначный код, соответствующий текущему углу.
Инкрементный преобразователь генерирует фиксированное число импульсов за оборот и сообщает только относительное перемещение — на сколько шагов и в какую сторону повернулся вал от текущего положения. Абсолютного значения угла он не знает, поэтому после включения питания требует привязки к опорной точке.
Сигнал формируется по двум основным каналам — A и B, сдвинутым друг относительно друга на 90 электрических градусов (квадратурный сигнал). По тому, какой канал опережает, — A перед B или B перед A — определяется направление вращения. Третий канал — Z (индексный, нулевой) — выдаёт один импульс за оборот и служит опорной меткой для сброса счётчика и отсчёта полных оборотов. Для подавления помех каналы часто дублируются инверсными (дифференциальными) сигналами.
Квадратурный характер сигнала позволяет повышать разрешение без изменения диска. Подсчёт только фронтов одного канала даёт режим x1; учёт фронтов обоих каналов удваивает (x2) или учетверяет (x4) число отсчётов за оборот за счёт обработки нарастающих и спадающих фронтов A и B.
Абсолютный преобразователь каждому положению вала ставит в соответствие уникальный цифровой код, нанесённый на кодовый диск в виде нескольких концентрических дорожек — по одной дорожке на разряд (бит). Радиальный ряд чувствительных элементов одновременно считывает все дорожки и сразу выдаёт кодовое слово положения. Главное преимущество — прибор сохраняет информацию о положении при пропадании и восстановлении питания и не нуждается в поиске опорной точки при включении.
Для кодирования дорожек применяют преимущественно код Грея, в котором при переходе к соседнему положению меняется только один разряд. Это исключает неоднозначность считывания, возможную в натуральном двоичном коде, когда при смене положения несколько разрядов переключаются неодновременно. Поскольку контроллеры работают с натуральным двоичным кодом, код Грея на стороне приёмника преобразуется обратно в двоичный.
Абсолютные энкодеры делятся на однооборотные и многооборотные:
Подсчёт оборотов в многооборотных приборах реализуют либо механическим редуктором с дополнительными кодовыми дисками, либо электронным счётчиком с автономным (батарейным) либо безбатарейным питанием на основе импульсного датчика оборотов.
Класс прибора (инкрементный или абсолютный) определяет логику формирования данных, а физический принцип считывания — конструкцию и условия применения. Наиболее распространены два исполнения.
В оптическом энкодере информацию несёт световой поток, модулируемый штрихами кодового или растрового диска. Исполнение позволяет получать высокую разрешающую способность и хорошую точность за счёт тонкого штриха диска. Платой за это служат повышенные требования к чистоте оптического тракта: загрязнение, конденсат, сильная вибрация и ударные нагрузки снижают надёжность считывания.
В магнитном энкодере положение определяется по изменению магнитного поля намагниченного диска (актуатора), считываемого магниточувствительным элементом. Магнитный принцип менее чувствителен к загрязнению, влаге, вибрации и ударам, отличается простотой конструкции и устойчивостью в тяжёлых условиях эксплуатации. При сопоставимых габаритах магнитные приборы обычно уступают оптическим по предельной разрешающей способности, хотя её повышают увеличением числа пар полюсов и интерполяцией сигнала.
Помимо оптического и магнитного исполнения встречаются ёмкостные и индукционные преобразователи угловых перемещений. Выбор принципа считывания определяется требуемой точностью, условиями эксплуатации и габаритами, а не только классом сигнала.
Разрешение определяет, насколько мелкое перемещение способен различить прибор. Для инкрементных энкодеров его задают числом импульсов (циклов) на оборот: PPR (pulses per revolution) или CPR (cycles per revolution), иногда — числом штрихов на оборот (LPR). Для абсолютных энкодеров разрешение указывают числом разрядов кодового слова — в битах.
Δφ = 360° / 2ⁿ
n
2ⁿ
Δφ = 360° / (4 · PPR)
PPR
2¹³ = 8192
Δφ = 360° / 8192 ≈ 0,044°
4 · 2500 = 10 000
Δφ = 360° / 10 000 = 0,036°
В многооборотных абсолютных приборах общее разрешение складывается из разрядности однооборотной части и разрядности счётчика оборотов. Например, сочетание 13-разрядного однооборотного кода (8192 положения за оборот) и 12-разрядного счётчика (4096 оборотов) даёт суммарную разрядность 25 бит.
Высокое разрешение не равнозначно высокой точности. Разрешение — это шаг дискретизации, тогда как точность включает систематические и случайные погрешности преобразователя и оценивается отдельно (см. раздел о классах точности).
Импульсные сигналы каналов A, B, Z передаются в одном из стандартных электрических исполнений:
Логические пороги зависят от типа выхода. Для TTL уровень выше примерно 2 В трактуется как логическая единица, ниже 0,8 В — как ноль. У HTL высокий уровень масштабируется с напряжением питания (типично 8–30 В), что увеличивает перепад между логическими состояниями и повышает помехоустойчивость на длинных кабелях.
Абсолютный код передаётся по последовательным синхронным или полевым интерфейсам:
Точечные синхронные интерфейсы (SSI, BiSS, EnDat) строятся на дифференциальном физическом уровне RS-422/RS-485: линейный передатчик в энкодере, витая пара, согласующее сопротивление и приёмник у контроллера. Это обеспечивает устойчивость к синфазным помехам в условиях работы рядом с силовыми цепями. Полевые шины, в отличие от точечного соединения, позволяют одному ведущему узлу обмениваться данными с несколькими ведомыми устройствами.
Общие технические требования к преобразователям перемещений, применяемым в системах числового программного управления и автоматического регулирования, устанавливает межгосударственный стандарт ГОСТ 26242-90 (взамен ГОСТ 26242-84). Стандарт нормирует классификацию, точностные характеристики и общие технические условия на преобразователи линейных и угловых перемещений.
Под предельной погрешностью преобразователя стандарт понимает наибольшее по абсолютной величине отклонение от действительного значения между любыми двумя точками во всём интервале перемещения, исключая дискретность и погрешность поверяющего устройства. Для преобразователей предусмотрено 12 классов точности: 001, 01, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10. По виду входной величины стандарт делит преобразователи на приборы линейных и угловых перемещений, а по физическому принципу эквивалентного преобразования — на ряд групп, включая фотоэлектрические и оптоэлектронные, ёмкостные, индукционные, магнитоэлектрические и другие. Степень защиты оболочки и группу условий эксплуатации задают в технических условиях на конкретный тип.
Стойкость к проникновению пыли и воды нормируется кодом IP по стандарту ГОСТ 14254-2015 (IEC 60529:2013), действующему взамен ГОСТ 14254-96. Код IP определяет защиту оболочки от внешних твёрдых предметов и воды и проверяется стандартными методами испытаний; для энкодеров это один из ключевых эксплуатационных параметров при выборе под конкретные условия.
Подбор преобразователя угловых перемещений ведут от требований системы, а не от типа прибора. Базовые критерии:
Распространённые ошибки: применение одиночного канала там, где требуется определение направления (нужны каналы A и B); использование несимметричного (недифференциального) выхода на длинных линиях с высоким уровнем помех; подмена точности разрешением; пренебрежение жёсткостью муфты и соосностью при монтаже, что вносит механическую погрешность; выбор степени защиты IP без учёта реальных условий среды.
На валу закреплён диск с метками. Чувствительный элемент считывает изменение прозрачности (оптический энкодер) или магнитного поля (магнитный) при повороте диска и преобразует его в электрический сигнал. Инкрементный прибор выдаёт импульсы приращения угла, абсолютный — готовый код текущего положения.
Инкрементный сообщает только относительное перемещение импульсами и теряет положение при отключении питания, требуя повторной привязки к опорной точке. Абсолютный каждому углу ставит уникальный код и сохраняет положение после пропадания питания.
A и B — два импульсных канала инкрементного энкодера, сдвинутых на 90 электрических градусов; по их фазовому соотношению определяется направление вращения. Z — индексный канал, выдающий один импульс за оборот как опорную метку для сброса счётчика и отсчёта полных оборотов.
В коде Грея при переходе к соседнему положению меняется только один разряд, что исключает неоднозначность считывания. В натуральном двоичном коде при смене положения несколько разрядов переключаются неодновременно, что может дать ошибочное значение.
Оптический считывает световой поток через штрихи диска и обеспечивает, как правило, более высокое разрешение, но чувствителен к загрязнению тракта. Магнитный считывает магнитное поле и устойчивее к пыли, влаге, вибрации и ударам, но обычно уступает в предельном разрешении при тех же габаритах.
PPR (импульсов на оборот) задаёт разрешение инкрементного энкодера; квадратурное декодирование x2 или x4 кратно увеличивает число отсчётов. Биты описывают разрешение абсолютного энкодера: n бит соответствуют 2ⁿ различимым положениям за оборот.
Для импульсных сигналов на коротких линиях подходит HTL или TTL/RS-422, для высокого разрешения в сервоприводах — sin/cos 1 Vpp. Абсолютный код передают по SSI, BiSS или EnDat, а при подключении нескольких устройств к сети — по полевым шинам (PROFIBUS, CANopen, PROFINET, EtherCAT). Решающие факторы — поддержка интерфейса контроллером и длина линии.
Инкрементный — да, после включения ему нужна привязка к опорной точке (по каналу Z или внешнему датчику). Абсолютный сохраняет положение; многооборотный дополнительно сохраняет и число пройденных оборотов.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.