Енкодер: інкрементальний чи абсолютний — як обрати

Енкодер інкрементальний чи абсолютний: коротка відповідь

Якщо вісь після зняття живлення мусить знати своє положення без повторного пошуку нуля, беріть абсолютний. Якщо вам потрібна тільки швидкість або відносний рахунок, а референтну точку машина спокійно проходить при кожному пуску, інкрементального досить. Усе інше в підборі енкодера вторинне.

Далі починається нудніша частина, і саме на ній зриваються замовлення: інтерфейс, роздільність, механіка валу. Найчастіша причина повернення не «мало імпульсів», а те, що приймач не розуміє сигнал. Тому порядок дій у нас такий: спершу дивимось, що приймає ваш привід або ПЛК, аж потім обираємо датчик оборотів.

Одразу розмежуємо, щоб ви не шукали двічі. Ця сторінка про те, який енкодер узяти. Про те, як потім закрити зворотний зв'язок у приводі, у нас окремий матеріал: робота частотних перетворювачів з енкодером. Усі цифри нижче взяті з паспортів позицій, які є в нашому розділі енкодерів, а не з загальних описів. І ще одне розмежування: енкодер рахує оберт валу. Якщо міряти треба лінійну відстань до поверхні, а валу в задачі немає, її закриває датчик відстані, не енкодер.

Що насправді відрізняє два типи

Інкрементальний не знає, де він

Інкрементальний енкодер видає імпульси, а положення рахує приймач. Вимкнули живлення: рахунок обнулився, і машина мусить знову шукати нуль. Візьмемо Omron E6B2-CWZ6C, 500 імп./об.: за паспортом серії E6B2-C він дає фази A, B і Z, зсув між A та B 90°±45° (1/4 T ± 1/8 T), вихід NPN з відкритим колектором, живлення від 5 В −5% до 24 В +15% з пульсацією до 5%.

Фаза Z — це один імпульс на оберт, той самий нуль. Напрям обертання приймач визначає з порядку A і B, і нічого крім цих трьох ліній на виході немає. Звідси проста арифметика: щоб інкрементальний датчик був корисний, у машині мусить бути спосіб дійти до референта. Немає кінцевика і немає права на пробний рух, то інкрементальний тут не підходить, скільки імпульсів у нього не було б.

Абсолютний віддає код у кожен момент

Абсолютний енкодер після включення одразу повідомляє положення. Sick AFM60A-S4NB018x12 (артикул 1059039) за паспортом має 262 144 кроки на оберт, тобто 18 біт, і додатково рахує 4 096 обертів, тобто 12 біт. Разом це багатооборотний датчик 18 біт × 12 біт. Межа похибки 0,03°, середньоквадратичне відхилення повторюваності 0,002°.

Порахуйте разом з нами, бо тут більшість робить хибний висновок. 360° поділити на 262 144 кроки — це 0,00137° на крок, близько 5 кутових секунд. А межа похибки в тому самому паспорті — 0,03°, тобто приблизно 22 кроки. Роздільність і точність це різні речі, і 18 біт не означають 18 біт точності. Купувати біти заради точності позиціонування безглуздо: впираєтесь у механіку, монтаж і межу похибки датчика набагато раніше.

Другий корисний момент — 4 096 обертів. Якщо енкодер сидить на ходовому винті з кроком 5 мм на оберт, це 20,48 м абсолютного ходу без жодного дооснащення. Для більшості порталів і підйомників цього з головою, а значить батарейка з пам'яттю обертів у схемі не потрібна.

Коротке порівняння

Інтерфейс важливіший за роздільність

Інтерфейс обирає не ви, а приймач. Подивіться в паспорт приводу чи модуля: там прямо написано, які енкодери він оцінює. Якщо ваш вхід розуміє тільки HTL, то абсолютний датчик з EnDat не заведеться, і жодні біти не допоможуть.

Тут варто сказати прямо, бо нас про це питають щотижня. Позиції Siemens 6SL3055-0AA00-*, які лежать у розділі Siemens, — це не енкодери. За паспортами це Sensor Modules для SINAMICS: модулі, які оцінюють сигнал зовнішнього датчика і віддають його в привід через DRIVE-CLiQ. Валу в них немає, рахувати оберти самостійно вони не вміють. Купувати їх замість енкодера не треба, а разом з енкодером це часто саме те, що потрібно. Щоб не читати таблицю навмання, короткий мостик від сигналу до артикула: резольвер це 5AA3, sin/cos 1 Vpp або EnDat це 5BA3, TTL чи HTL це 5CA2.

Два практичних висновки з цієї таблиці. Перший: HTL у біполярному виконанні тягне 300 м проти 100 м у TTL, тобто на довгій трасі тип сигналу вирішує більше, ніж марка датчика. Другий: у модулях IP67 лінія до самої вимірювальної системи обмежена трьома метрами, а гранично тридцятьма: модуль ставлять біля двигуна, а не в шафу, і це треба закладати в компонування, поки шафа ще на папері.

Про серво окремо. Там зворотний зв'язок приходить разом із двигуном: резольвер або абсолютний датчик уже стоїть на валу, і купують не енкодер, а підсилювач та інтерфейс під нього. Якщо ваша задача саме з цього боку, дивіться серводвигуни і сервопідсилювачі: підбір там іде від пари «двигун плюс драйвер», і ця сторінка вам мало допоможе.

Не впевнені, який сигнал приймає ваш вхід? Надішліть модель приводу й партномер карти розширення, і ми звіримо з паспортами самі. Наші контакти на сторінці зв'язку з нами.

Скільки імпульсів на оберт реально потрібно

Роздільність обмежена не бажанням, а граничною частотою виходу. Паспорт E6B2-C дає формулу прямо: максимальна електрична швидкість в об/хв дорівнює граничній частоті, поділеній на роздільність, помножене на 60. Підставимо реальні цифри.

1. 500 імп./об., вихід NPN (E6B2-CWZ6C). Гранична частота 100 кГц. 100 000 / 500 × 60 = 12 000 об/хв. Але механічна межа серії — 6 000 об/хв, тому вузьке місце тут підшипник, а не електроніка.
2. 1 024 імп./об., вихід NPN. 100 000 / 1 024 × 60 ≈ 5 859 об/хв. Уже нижче за механічні 6 000, тож електроніка стала межею.
3. 2 000 імп./об., вихід NPN. 100 000 / 2 000 × 60 = 3 000 об/хв. Половина паспортної механічної швидкості втрачена заради роздільності.
4. 1 000 імп./об., вихід PNP (виконання E6B2-CWZ5B). У PNP гранична частота за паспортом 50 кГц, а не 100. 50 000 / 1 000 × 60 = 3 000 об/хв. Той самий корпус, та сама роздільність, а стеля швидкості вдвічі нижча, і тільки через тип виходу.

Четвертий пункт і є та пастка, через яку найчастіше беруть «не той» датчик. Вибір між NPN і PNP виглядає як питання проводки, а насправді він тут ще й ріже швидкість навпіл. Про саму логіку входів ми докладно писали в матеріалі про перемикання NPN та PNP у частотному перетворювачі, а схеми підключення до контролера розібрані в підключенні датчиків до ПЛК.

Орієнтир, яким ми користуємось самі: для регулювання швидкості насоса чи вентилятора 100–500 імп./об. закривають задачу з запасом. Для позиціонування портала беріть абсолютний і дивіться не на біти, а на межу похибки. Для намотування й різання за довжиною рахуйте імпульси на міліметр ходу, а не на оберт: там цифра виводиться з діаметра ролика, і вона майже ніколи не збігається з каталожною.

Приклад розрахунку, цифри умовні. Ролик діаметром 100 мм дає коло 3,1416 × 100 = 314,16 мм за один оберт. Енкодер на 1 000 імп./об. на цьому ролику видає 1 000 / 314,16 ≈ 3,18 імпульса на міліметр, тобто крок відліку 0,31 мм. Потрібен крок 0,1 мм, значить треба близько 3 142 імп./об. або менший ролик. Підставляйте свій діаметр і одразу перевіряйте стелю швидкості тією самою паспортною формулою: на 3 142 імп./об. і 100 кГц виходить приблизно 1 910 об/хв, і це вже може не влізти в вашу лінійну швидкість.

Енкодер і частотний перетворювач: де межа застосування

Частотник приймає енкодер не завжди, і це перше, що треба перевірити. Більшість приводів з векторним керуванням по замкненому контуру працює з інкрементальними TTL або HTL через додаткову карту, і саме цей інкрементальний вхід TTL/HTL сигнал EnDat або SSI не оцінює: для абсолютного датчика з таким інтерфейсом потрібен окремий модуль оцінки. У системах SINAMICS цю роль і виконують модулі з таблиці вище: 6SL3055-0AA00-5CA2 оцінює TTL/HTL і SSI, 6SL3055-0AA00-5BA3 — sin/cos 1 Vpp і EnDat 2.1.

Що дає замкнений контур і коли він узагалі потрібен приводу, ми розписали в окремій статті про роботу частотних перетворювачів з енкодером. Якщо привід у вас Veichi AC300 або AC310, цей вхід додає плата енкодера AC300-PG1: інкрементальний ABZ на 5 В під замкнене векторне керування, у серії є й виконання на 12 В. Для іншої серії приводу надішліть модель, і ми скажемо, чи існує під неї така карта.

Сім помилок підбору, які ми бачимо найчастіше

• Інкрементальний там, де нема права на пошук нуля. Ліфт, поворотний стіл з обмеженим ходом, вісь під вантажем. Після зникнення живлення машина не має куди рухатись, щоб знайти референт. Тут потрібен абсолютний, і це не питання бюджету.
• Переплата за біти. 18 біт при межі похибки 0,03° — це приблизно 22 кроки похибки. Роздільність вище за точність корисна для плавності регулювання, а не для точності позиції.
• Переплутані NPN і PNP. У E6B2-CWZ6C вихід NPN з відкритим колектором: струм стоку (sink current) до 35 мА при напрузі на виході до 30 В, залишкова напруга до 0,4 В при тих самих 35 мА. У виконанні CWZ5B усе навпаки — PNP, струм джерела до 35 мА. Вхід ПЛК під протилежну логіку рахувати не буде.
• Монтаж жорстко на вал, без муфти. Паспорт E6B2-C дає граничне радіальне навантаження 30 Н і осьове 20 Н, пусковий момент до 0,98 мН·м. У AFM60A запас більший: 80 Н радіально і 40 Н осьово, ресурс підшипника 3 × 10⁹ обертів, але й він не терпить перекосу. Муфта E69-C06B у комплекті з E6B2 постачається саме для цього.
• IP не під середовище. E6B2-C має IP50 за IEC 60529. Це не мийка і не вулиця. AFM60A дає IP65 з боку валу та IP67 з боку корпусу, причому паспорт прямо уточнює: з під'єднаним роз'ємом. Без нього захисту немає.
• Забутий пусковий струм. При включенні E6B2-C споживає кидок близько 9 А протягом приблизно 0,3 мс. На спільній шині 24 В з кількома датчиками це реальна причина просідань і хибних спрацювань сусідніх каналів. Таку ж логіку ми розбирали на індуктивних датчиках у статті про перевірку датчика наближення мультиметром.
• Температура по нижній межі. E6B2-C працює від −10 °C, AFM60A від −40 °C. І ще одна деталь із паспорта AFM60A: робочі 9 000 об/хв паспорт подає разом із вказівкою закладати саморозігрів 3,3 K на кожні 1 000 об/хв, коли рахуєте робочий діапазон температур. Для неопалюваного складу або зовнішньої установки це і є той параметр, який вирішує, а не роздільність.

Що з енкодерів є в нас

У розділі дев'ять позицій. Інкрементальні Omron для загальних задач, абсолютний Sick з PROFINET для позиціонування і модулі оцінки Siemens під SINAMICS.

Крім цих семи в розділі є ще дві позиції, по яких ми свідомо не наводимо цифр, бо офіційного паспорта саме на ці партномери на момент підготовки матеріалу в нас на руках немає: Omron E6C2-CWZ5B і Sick DFS60B-S4AA05000 (у класифікації самого Sick це родина інкрементальних енкодерів). Параметри по них уточнюємо перед замовленням, а не беремо з опису в каталозі. Напишіть нам: надішлемо паспорт і підтвердимо роздільність до оплати.

Суміжні матеріали, якщо задача виявиться не про оберти: індуктивні датчики для контролю наявності й позиції без обертання, і загальний каталог датчиків. Окремі зрізи по брендах: Sick і Omron.

Поширені запитання

Чи можна замінити абсолютний енкодер інкрементальним?

Тільки якщо машина може безпечно дійти до референтної точки після кожного включення. Інкрементальний не зберігає положення: він рахує імпульси від моменту подачі живлення. Якщо пошук нуля неможливий або небезпечний, заміна не працює, і додаткові імпульси тут нічого не змінюють.

Скільки імпульсів на оберт потрібно для насоса чи вентилятора?

Для регулювання швидкості зазвичай достатньо 100–500 імп./об. Перевірте стелю швидкості за формулою з паспорта: гранична частота поділена на роздільність і помножена на 60. Для E6B2-CWZ6C з 500 імп./об. виходить 12 000 об/хв електрично, тобто обмежує механіка — 6 000 об/хв.

Чим відрізняється одно- від багатооборотного абсолютного енкодера?

Однооборотний знає кут у межах одного обороту і після повного кола починає спочатку. Багатооборотний додатково рахує самі оберти. У Sick AFM60A-S4NB018x12 це 18 біт на оберт плюс 12 біт обертів, тобто 4 096 обертів абсолютного ходу.

Чи підключається енкодер напряму до частотного перетворювача?

Залежить від входу приводу. Входи під замкнений контур у частотників зазвичай приймають інкрементальні TTL або HTL, і то через додаткову карту. Для EnDat, SSI або резольвера потрібен модуль оцінки: у SINAMICS це позиції 6SL3055-0AA00-5BA3, 5CA2 і далі за таблицею вище.

NPN чи PNP: що брати?

Те, що розуміє ваш вхід. У серії E6B2-C виконання CWZ6C дає NPN з відкритим колектором і граничну частоту 100 кГц, виконання CWZ5B — PNP і 50 кГц. Тобто тип виходу тут впливає не лише на проводку, а й на стелю швидкості, і зміна полярності «на місці» резистором проблему не вирішує.

З чого почати підбір

Відповідайте на одне питання: чи може машина після включення безпечно знайти нуль. «Так» — беріть інкрементальний і рахуйте швидкість за формулою з паспорта. «Ні» — абсолютний, і дивіться межу похибки, а не біти. Потім перевіряйте, що приймає ваш привід, і аж наприкінці — роздільність.

Усі дев'ять позицій зібрані в розділі енкодерів. Якщо не впевнені щодо інтерфейсу вашого приводу, надішліть модель приводу й партномер карти розширення, і ми звіримо з паспортами самі. Наші контакти на сторінці зв'язку з нами.