Энкодеры делятся на два основных типа: инкрементальные и абсолютные. На первый взгляд они делают одно и то же — измеряют угол поворота вала. Но принципы работы, возможности и области применения различаются принципиально.
Ошибка с типом энкодера оборачивается постоянными проблемами: то положение теряется после отключения питания, то процедура поиска нуля невозможна по условиям технологии, то точности не хватает, то привод вообще не поддерживает нужный интерфейс.
Ниже оба типа, сравнение по ключевым параметрам и практические рекомендации по выбору. Отдельный вопрос — что делать, когда датчик уже вышел из строя: об этом в статье про то, что в энкодере можно восстановить, а что нет.
Инкрементальные энкодеры: счётчик приращений
Инкрементальный энкодер не знает, где находится вал. Он сообщает, на сколько вал повернулся с момента начала отсчёта.
Как работает
На измерительном элементе — оптическом диске, магнитном кольце — нанесён равномерный рисунок. При вращении датчик формирует сигналы, по которым система считает приращения положения.
Выходные сигналы:
- Два канала, сдвинутых на 90 градусов. По их взаимному сдвигу определяется и величина перемещения, и направление вращения: система смотрит, какой канал опережает. Нарушение этого соотношения привод распознаёт как ошибку каналов обратной связи
- Канал референтной метки — один импульс за оборот
Важное уточнение про референтную метку, потому что здесь регулярно ошибаются. Метка не даёт абсолютного положения. Она задаёт привязку внутри одного оборота, то есть позволяет привязать счётчик к известной точке, но узнать по ней, где находится ось, невозможно. Именно поэтому после включения питания требуется процедура выхода в референтную точку с использованием концевых или референтных датчиков.
Как определяется положение: система считает приращения от точки, установленной при референции. Ось выходит в референтную точку, счётчик обнуляется, и дальше текущее положение вычисляется по накопленному счёту.
Три варианта выходных сигналов, которые важно различать
Это деление в описаниях часто пропускают, а от него зависит и помехоустойчивость, и разрешение, и совместимость с приводом.
- Логические выходы, чаще всего дифференциальные. Каналы передаются прямоугольными импульсами в парах с инверсными сигналами. Дифференциальная передача существенно повышает помехоустойчивость по сравнению с одиночными сигналами
- Аналоговые синус-косинусные выходы. Датчик выдаёт не импульсы, а близкие к синусу и косинусу сигналы, которые приводная электроника интерполирует. За счёт этого разрешение получается в разы и десятки раз выше числа физических периодов на диске. Такие исполнения широко применяются в станочных приводах, и у них есть практическое достоинство: состояние датчика диагностируется по амплитуде и форме сигналов задолго до появления аварии
- Одиночные логические выходы без инверсных сигналов. Дешевле, применяются в простых задачах, но чувствительны к наводкам и к длине линии
Плюсы
| Преимущество |
Пояснение |
| Простота и цена |
Конструкция проще, чем у абсолютных, стоимость ниже при том же классе исполнения |
| Высокая частота выходных сигналов |
Пригодны для приводов с высокими оборотами и для быстрых контуров регулирования |
| Неограниченный диапазон перемещения |
Нет ограничения по числу оборотов, в отличие от многооборотных абсолютных исполнений с конечным счётом |
| Простое подключение |
Стандартные интерфейсы, поддерживаемые практически любым приводом и контроллером; меньше проводов, чем у абсолютных с параллельным выходом |
| Возможность диагностики по сигналам |
Для аналоговых исполнений амплитуду и форму можно измерить и оценить состояние датчика без его вскрытия |
Минусы
| Недостаток |
Пояснение |
| Положение теряется при снятии питания |
Счёт обнуляется, требуется повторный выход в референтную точку |
| Необходимость референции при каждом включении |
Нужны концевые или референтные датчики и свободный ход оси. На части оборудования это невозможно или опасно |
| Накопление смещения при сбоях счёта |
Пропущенное или ложное приращение из-за наводки или повреждённого кабеля сдвигает всю систему координат, и это смещение сохраняется до следующей референции. Отказ при этом не возникает: оборудование продолжает работать и даёт брак |
| Зависимость от качества линии |
Чем длиннее кабель и хуже экранирование, тем выше вероятность сбоев счёта |
Про накопление смещения стоит сказать отдельно, потому что это главный практический риск этого типа. Ошибка появляется тихо. Нет аварии, нет сообщения — просто деталь выходит из размера, и разбираться начинают с механики, с инструмента, с программы, а причина в кабеле или в экранировании.
Где применяются
- Задачи измерения скорости: контуры регулирования скорости, тахометрия
- Оси, где возможен выход в референтную точку при включении
- Конвейеры, подачи, вспомогательные перемещения
- Приводы с высокими оборотами
- Случаи, когда важна доступность и взаимозаменяемость датчика
Абсолютные энкодеры: положение известно сразу
Абсолютный энкодер выдаёт не приращения, а текущее положение. После включения питания оно известно без каких-либо перемещений.
Как работает
На измерительном элементе нанесён код, уникальный для каждого положения — код Грея или более сложные схемы с избыточностью и контролем. Датчик передаёт не импульсы, а значение положения.
Здесь принципиально различать однооборотные и многооборотные исполнения.
Однооборотные определяют положение в пределах одного оборота. Эта информация закодирована физически на измерительном элементе и не теряется никогда, независимо от питания.
Многооборотные дополнительно хранят число совершённых оборотов, и делается это тремя способами. Разница между ними определяет, чем закончится обычная замена кабеля.
- Механический счёт. Дополнительные кодовые элементы связаны с основным валом зубчатой передачей и работают как одометр. От питания не зависит вообще. Ограничение — конечное число оборотов, типично несколько тысяч или десятков тысяч, точное значение по документации
- Энергонезависимый электронный счёт. Специальный чувствительный элемент питается от самого вращения и фиксирует обороты без внешнего питания и без батареи
- Электронный счёт с сохранением в памяти с батарейным питанием. Самый распространённый и самый проблемный в эксплуатации вариант: при севшей батарее, при отсоединении кабеля или при замене двигателя данные о числе оборотов теряются, и привязку осей приходится восстанавливать на станке по методике изготовителя
Практический вывод: если у вас третий вариант, батареи меняют по предупреждению, не дожидаясь потери данных, а параметры и данные привязки хранят в резервных копиях. Уточнить, какой вариант в вашем оборудовании, стоит заранее, а не в момент отказа.
Интерфейсы передачи
- Последовательные цифровые интерфейсы — современный стандарт. Данные передаются по дифференциальным парам, кадр содержит контрольную сумму, часть протоколов передаёт ещё и диагностическую информацию самого датчика
- Параллельный интерфейс — каждый разряд по отдельной линии. Устаревшее решение с большим числом проводов, встречается на оборудовании прошлых поколений
- Шинные интерфейсы промышленных сетей — когда датчик подключается к сети управления, а не напрямую к приводу
Плюсы
| Преимущество |
Пояснение |
| Положение известно сразу после включения |
Процедура выхода в референтную точку не требуется. Для части оборудования это решающий довод |
| Нет накопления смещения |
Каждое считывание даёт полное значение положения, а не приращение к предыдущему. Сбой передачи не сдвигает систему координат |
| Контроль достоверности данных |
Кадр с контрольной суммой позволяет обнаружить искажение и не принять неверные данные, вместо того чтобы молча продолжить работу с ошибкой |
| Встроенная диагностика |
Многие интерфейсы передают внутренние предупреждения датчика, счётчики ошибок связи и оценку качества сигнала. Это заметно упрощает диагностику и позволяет обслуживать датчик планово |
Минусы
| Недостаток |
Пояснение |
| Выше цена |
Сложнее конструкция и электроника |
| Совместимость с приводом |
Привод должен поддерживать конкретный протокол. Это не вопрос настройки: с неподдерживаемым интерфейсом датчик не заработает вообще |
| Ограничение по числу оборотов у многооборотных с конечным счётом |
Типично несколько тысяч или десятков тысяч оборотов; для длинных перемещений это проверяют по документации |
| Зависимость от резервного питания у части исполнений |
У многооборотных с электронным счётом и батарейным резервированием демонтаж или севшая батарея означают потерю привязки и работу по её восстановлению на станке |
| Требования к кабельной линии |
Дифференциальные пары с нормированным волновым сопротивлением и корректной заделкой экрана. Произвольная замена кабеля или его сращивание дают ошибки связи |
Где применяются
- Оси станков с ЧПУ, где положение должно быть известно после любого отключения
- Роботы: положение каждого сочленения должно быть определено всегда, а выход в референтную точку по всем осям невозможен или требует много времени
- Подъёмно-транспортное оборудование, где перемещение оси для поиска нуля недопустимо по условиям безопасности
- Следящие системы и поворотные механизмы с большим циклом
- Оборудование, где выход в референтную точку невозможен технологически: ось упирается в изделие, в оснастку или ограничена по ходу
Сравнительная таблица
| Параметр |
Инкрементальный |
Абсолютный |
| Что передаёт |
Приращения положения |
Значение положения |
| Положение после включения |
Неизвестно, требуется референция |
Известно сразу |
| Разрешение |
Определяется рисунком и интерполяцией |
Определяется числом разрядов кода и интерполяцией |
| Точность |
Определяется погрешностью измерительного элемента, подшипниками, соосностью и жёсткостью соединения с валом, а не разрешением |
Тем же самым: высокое разрешение не равно высокой точности |
| Поведение при сбое передачи |
Возможен сдвиг системы координат, сохраняющийся до следующей референции, без аварийного сообщения |
Искажённый кадр выявляется по контрольной сумме, накопления не происходит |
| Частота обновления |
Очень высокая |
Высокая, определяется протоколом и настройкой цикла обмена |
| Требования к приводу |
Поддерживается практически любым |
Требуется поддержка конкретного протокола |
| Зависимость от резервного питания |
Нет |
У части многооборотных исполнений есть |
| Цена |
Ниже |
Выше |
Как выбрать
Инкрементальный подходит, если
- Нужна скорость, а не абсолютное положение: контур регулирования скорости, тахометрия, контроль вращения
- Выход в референтную точку при включении возможен, безопасен и не занимает много времени. Есть концевые датчики, ось имеет свободный ход, технология это допускает
- Требуется высокая частота обновления на больших оборотах
- Важна доступность и взаимозаменяемость: инкрементальные датчики со стандартными интерфейсами проще подобрать и заменить
- Диапазон перемещения велик и не укладывается в число оборотов многооборотного абсолютного датчика
Абсолютный подходит, если
- Положение должно быть известно после любого отключения, включая аварийное
- Выход в референтную точку невозможен или нежелателен: ось упирается в изделие или оснастку, ограничена по ходу, перемещение опасно, поиск нуля по всем осям занимает недопустимо много времени
- Недопустим незамеченный сдвиг системы координат. Это главный содержательный довод: у абсолютного датчика сбой передачи обнаруживается, а не превращается в брак
- Нужна диагностика состояния датчика средствами привода
- Оборудование должно возобновлять работу после остановки в произвольной точке без референции
Что проверить до покупки
Пункты, из-за которых чаще всего срывается замена.
- Поддерживает ли привод нужный интерфейс. Заменить инкрементальный датчик на абсолютный или наоборот без учёта этого нельзя: дело не в настройке, а в аппаратной поддержке входа обратной связи
- Механическое присоединение: тип вала, посадочные размеры, способ крепления, допустимые нагрузки на вал
- Для многооборотных абсолютных — достаточно ли числа оборотов на всю длину хода
- Как реализован счёт оборотов: механически, энергонезависимо или с батарейным резервированием
- Требования к кабельной линии: тип кабеля, длина, экранирование. Для последовательных интерфейсов ограничение по длине линии жёстче, чем для логических выходов
- Степень защиты и диапазон температур по фактическим условиям установки
- Если датчик ставится на синхронный серводвигатель — потребуется установка угловой привязки к ротору
Про точность и надёжность
Две частые подмены понятий.
Первая: разрешение и точность. Современные абсолютные датчики дают разрешение, измеряемое миллионами дискрет на оборот, но точность при этом определяется погрешностью измерительного элемента, подшипниками, соосностью установки и жёсткостью соединения с валом. Датчик с высоким разрешением через изношенную муфту даёт впечатляющие цифры и плохое позиционирование.
Вторая: помехоустойчивость. Неверно говорить, что абсолютные датчики защищены от помех, а инкрементальные нет — оба используют дифференциальную передачу, и оба чувствительны к наводкам при неправильной прокладке и заделке экрана. Разница в последствиях. У инкрементального искажённое приращение навсегда сдвигает систему координат до следующей референции, и происходит это без аварийного сообщения. У абсолютного искажённый кадр обнаруживается по контрольной сумме и отбрасывается, накопления не происходит. Именно это, а не сама помехоустойчивость, и есть настоящее преимущество.
Типовые неисправности
Общий принцип для обоих типов: чаще всего виновата не сама электроника датчика, а кабельная линия. Проверять её нужно до принятия решения о замене датчика.
| Тип |
Что отказывает |
Как проявляется |
| Оба типа |
Кабельная линия и разъёмы |
Плавающие ошибки с привязкой к участку хода оси, зависимость от подачи СОЖ, учащение с ростом скорости |
| Оба типа |
Питание по линии |
Ошибки учащаются с ростом скорости и потребления; напряжение на датчике вне допуска при норме на плате привода |
| Оба типа |
Экранирование и прокладка |
Ошибки появились после монтажа или ремонта в шкафу, возникают при работе соседнего оборудования |
| Оба типа |
Подшипники, соосность, муфта |
Шум, люфт, ошибка, привязанная к угловому положению вала, растущая погрешность |
| Инкрементальный |
Загрязнение измерительного тракта, деградация сигналов |
Снижение амплитуды, пропуски приращений, незамеченный сдвиг координат |
| Инкрементальный |
Электроника датчика |
Импульсы отсутствуют или искажены |
| Абсолютный |
Электроника и интерфейс |
Нет ответа по интерфейсу, ошибки связи, счётчики ошибок в диагностике привода |
| Абсолютный многооборотный с механическим счётом |
Износ передачи механизма счёта |
Расхождение положения после многих оборотов; восстановлению не подлежит |
| Абсолютный многооборотный с батарейным резервированием |
Разряд батареи, отсоединение кабеля |
Потеря данных о числе оборотов, необходимость восстановления привязки на станке |
Вместо заключения
Выбор между инкрементальным и абсолютным энкодером — не вопрос, какой лучше, а вопрос требований.
Инкрементальный — счётчик приращений: проще, дешевле, требует референции при включении и допускает незамеченный сдвиг координат при сбоях счёта.
Абсолютный — передаёт положение целиком: дороже, требует поддержки протокола приводом, зато знает положение сразу и обнаруживает искажение данных вместо того, чтобы молча продолжать работу с ошибкой.
Два практических вывода, которые часто оказываются решающими. Первый: главное преимущество абсолютного датчика не в помехоустойчивости, а в том, что сбой не превращается в брак. Второй: тип датчика нельзя поменять без учёта того, какой интерфейс поддерживает привод.
Если энкодер любого типа вышел из строя — привозите на диагностику, лучше комплектом с приводом или двигателем. Она бесплатная, со стендовой проверкой и прогоном; по результатам вы получите заключение с указанием, где именно находится причина: в датчике, в кабельной линии, в приводе или в настройке. Если ремонт нецелесообразен, поможем подобрать аналог с учётом интерфейса, посадочных размеров и способа счёта оборотов.
Гарантия на выполненный ремонт — 12 месяцев. Техника принимается со всей страны, выезд на объект — по Санкт-Петербургу и Ленинградской области.
