|
Optické snímače na meranie uhlu a otáčok (enkóder, IRC)
V praxi sa používajú sa dva druhy optických snímačov
uhlu: inkrementálny a
absolútny.
Inkrementálny enkóder
Inkrementálny optoelektronický snímač (tiež sa označuje ako
impulzný enkóder, Incremental Encoder, IRC) dáva na výstupe dáva
impulzy priamo úmerné otáčaniu hriadele. Jeho základná charakteristika je teda
počet impulzov na otáčku. Základnou časťou snímača je optický kotúč
s ryskami po obvode, presvecovaný optickým lúčom. Zdroj svetla je obvykle LED dióda. Otáčaním kotúča vznikajú svetelné impulzy ktoré sa ďalej upravujú
v elektronických obvodoch na elektrické impulzy. Obvykle sú však na výstupe
až tri kanály. Na prvých dvoch sú identické impulzy generované optickým
kotúčom, avšak navzájom fázovo posunuté o +90° alebo -90° (pozri
obr. 2). Toto posunutie umožňuje rozpoznať smer otáčania. Na treťom
kanáli je tzv. indexový impulz. Označuje sa ako kanál C, prípadne N
alebo tiež "Index". Generuje sa vždy jeden impulz na
otáčku. Impulz možno využiť na určenie počiatku alebo pri meraní
uhlov.
Obr. 1 Impulzný kotúč 120 dielikov na otáčku
Obr. 2 Priebehy kanálov A, B, C.
Absolútny enkóder
Optický kotúč tohto snímača obsahuje viacero koncentrických stôp, každá stopa
predstavuje jeden bit. Keď sa v radiálnom smere pomocou svetelných lúčov
prečítajú všetky bity, vznikne diskrétny binárny údaj zodpovedajúci natočeniu
kotúča. V súčasnosti sa dosahuje až 16 bit, čo zodpovedá rozlíšeniu 0,005°
ale za štandard sa považuje 12 bitové rozlíšenie. Optické kotúče sú
najčastejšie zakódované v binárnom alebo Grayovom
kóde. Zobrazenie kotúča a spodných 4 bitov (binárne kódovanie) je na obr.
3. Výstupom zo snímača sú v najjednoduchšom prípade jednotlivé bity.
Každý vodič predstavuje jeden bit, t.j. koľko optických stôp má
kotúč, toľko vodičov ja na výstupe (okrem napájania). Takýto výstup
sa volá paralelný a číta sa vždy naraz celé slovo. Sú aj zložitejšie
formy výstupu, bližšie sú popísané v časti o výstupných signáloch.
Obr. 3. Absolútny optický kotúč a priebehy spodných 4 bitov.
Ak má snímač len jeden optický kotúč, nazýva sa absolútny
enkóder jednootáčkový (Absolute
Encoder, Single – Turn). Pre
zvýšenie presnosti alebo rozsahu (alebo oboch) je možné použiť
viacero optických kotúčov. Absolútny snímač uhlu viacotáčkový (Absolute
Encoder, Multi – Turn) obsahuje obvykle dva optické kotúče. Prvý kotúč je štandardný,
s 12-bitovým rozlíšením. Prostredníctvom prevodovky s prevodovým
pomerom 16:1 je zviazaný s druhým kotúčom, ktorý má obvykle len 4-bitové
rozlíšenie. 16-tim otáčkam hriadele teda zodpovedá 212 * 24
= 65536
rozlišovacích úrovní. Ak sa použije viac kotúčov, je rozlíšenie ešte väčšie.
Špičkové výrobky majú obvykle 4 kotúče a 24-bitové rozlíšenie na 4096
otáčok. Viacotáčkové enkódery nemávajú
paralelný výstup, používa sa sériový, prípadne aj analógový
výstup.
Výstupné signály enkóderov a ich spracovanie
Najjednoduchší výstup je impulzný (kanály A, B, C) alebo
paralelný (počet bitov je zhodný s počtom signálových vodičov).
Hardvérové riešenie jedného kanála je na obr. 4. Nazýva sa napäťový
výstup, tranzistorový výstup, NPN výstup, CMOS výstup, TTL výstup (v
tomto prípade má napájacie napätie hodnotu 5 V) a pod.
Obr. 4. Napäťový výstup
snímača
Výstup s otvoreným kolektorom (Open Collector) je na obr. 5.
Výhoda oproti predchádzajúcemu riešeniu je v tom, že cez záťaž môže
tiecť väčší prúd. Aj keď je o niečo pomalší, používa sa pomerne
často.
Obr. 5. Výstup s
otvoreným kolektorom
Pomerne zložitý výstup je na obr. 6. Je to tzv. dvojčinný výstup
(Push Pull). Tento druh výstupu dokáže spínať do záťaže kladný aj
záporný prúd, v optických snímačoch sa však používa len zriedka.
Obr. 6. Dvojčinný výstup
Často používaným výstupom je linkový (Line Driver). Jeho
charakteristickou vlastnosťou je, že okrem priameho výstupu
poskytuje aj negovaný výstup daného kanála. Zapojenie linkového
výstupu a časový priebeh výstupného signálu je na obr. 7.
Obr. 7. Linkový výstup a časový priebeh výstupného napätia
Hlavná výhoda linkového výstupu spočíva v schopnosti potlačiť rušivé
napätia. Princíp potlačenia rušenia je na obr. 8. Prijímač ktorý
spracováva signál z linkového výstupu musí mať
diferenciálny vstup. Diferenciálny vstup vyhodnocuje signály tak, že robí ich
rozdiel. Pri bezporuchovom prenose prichádza na vstup vždy priamy aj
negovaný signál, t.j. nikdy nepríde rovnaký signál súčasne na obidva
vstupy. Na výstupe je potom, v závislosti od vstupu, logická 0 alebo
1. Porucha vzniká obvykle indukciou
na obidvoch vodičoch, takže poruchové impulzy majú na obidvoch vodičoch rovnaký tvar. Keď takáto
dvojica príde na diferenciálny vstup prijímača, impulzy sa navzájom
odčítajú a tým sa odstránia.
Obr. 8. Potlačenie poruchy pri linkovom výstupe.
Sériové a iné rozhrania optických snímačov
Rôzne sériové rozhrania sa pri snímačoch používajú stále častejšie.
Je to motivované snahou dostať údaje do počítača, resp. PLC nejakou
štandardnou formou, bez použitia kariet alebo špeciálnych
elektronických jednotiek. Používajú sa prakticky všetky druhy
rozhraní, najčastejšie však RS232, RS422, RS485, Profibus, CANopen,
IOLink a najnovšie aj USB. Používajú sa aj analógové výstupy,
napäťové alebo prúdové.
Pri optických snímačoch je samostatnou kategóriou
rozhranie SSI (Synchronous Serial Interface). Bolo vyvinuté špeciálne pre absolútne
enkódery a
postupne sa stalo priemyselným štandardom. Na strane snímača sa
paralelný kód transformuje na sériový pomocou posuvného registra. Jednotlivé
bity sa vysielajú synchrónne s hodinovými impulzmi ktoré prichádzajú
zo strany elektronickej jednotky rozhrania (interfejsu). Takýto prenos je jednoduchý
a rýchly – v súčasnosti sa používa frekvencia hodinových impulzov
približne 1,5 MHz. Princíp prenosu vidieť z obr. 9.
Obr. 9. Rozhranie SSI
|