SZKOŁA ENKODERÓW

Optyczne odczytywanie wzorców przyrostowych

Zasadniczą częścią optoelektrycznych enkoderów obrotowych produkowanych przez Leine Linde jest płytka kodowa zamocowana na dokładnie ułożyskowanym wałku.

Firma Leine Linde od początku stosowała w enkoderze proces, podczas którego wzorzec kodu zostaje utworzony na płytce, która jest zamontowana na wałku. Poprzez taki proces produkcyjny została uzyskana ogromna elastyczność, a dzięki temu można dostarczać dowolne ilości impulsów o najkrótszych możliwych czasach przebiegu.

Pozycję płytki kodowej odczytuje się przy pomocy fotodiod oświetlonych przez diodę świecącą. W celu zapewnienia dokładności odczytu wymagane jest, aby szerokość stałego otworu wzorcowego, odpowiadała szerokości linii na płytce kodowej. Szerokość otworu zmniejszałaby się, więc wraz ze zwiększaniem się podziałki, a więc w enkoderach o dużej rozdzielczości dawałoby to mniejszą siłę sygnału. Można tego jednak uniknąć w prosty sposób. Układa się liczne otwory wzorcowe obok siebie tak, aby odległość między otworami odpowiadała okresowi podziałki. Powoduje to, że cała powierzchnia fotodiody zostaje pokryta wzorcem kodu. Siła sygnału staje się wtedy niezależna od podziałki.

Cztery takie grupy wzorcowe układa się na czterech różnych fotodiodach (rys. 1). Linie każdej grupy wzorcowej są przesunięte w stosunku do linii poprzedniej grupy o ćwierć okresu. Cztery fotodiody wytwarzają przez to sygnały sinusoidalne, przesunięte fazowo w stosunku do siebie o 90° (rys. 2). Gdy obraca się płytkę kodową to widzi się światło wpadające przez cztery pola, jako obracające się pole świetlne (rys. 3). W ten sposób powstał mechanizm optyczny, którego przełożenie odpowiada rozdzielczości enkodera. Najprostszy sposób dalszej obróbki sygnałów polega na tym, że sygnały z fotodiody przesunięte o 180° przesyła się następnie do komparatora, który wytwarza na wyjściu sygnał prostokątny. Obydwa otrzymane w ten sposób sygnały prostokątne są wzajemnie przesunięte w fazie o 90° (rys. 4). Umożliwia to odczytanie kierunku rotacji wałka impulsatora.

Sygnały enkodera można podłączyć do licznika obrotów w przód/w tył, a jego logiczna część wytwarza w zależności od potrzeb jeden, dwa lub cztery impulsy obliczeniowe na cykl. Mówi się wtedy o stosowaniu 1-krotnego, 2-krotnego lub 4-krotnego mnożenia. Enkoder o rozdzielczości 2500 może, więc wytwarzać wartość pomiarową o rozdzielczości 2500, 5000 lub 10000 na obrót.

Przy dokładniejszej obróbce sygnału można wykorzystać fakt, że sygnały z fotodiody są sinusoidalne, a wtedy uzyskuje się poprzez interpolację wyższą rozdzielczość. Stosowana jest 2-krotna, 5-krotna lub 10-krotna interpolacja, jednakże spotyka się również impulsatory z rozdzielczością nawet 100-krotną.

Optyczne odczytywanie impulsu odniesienia

W licznych zastosowaniach potrzebny jest jeden impuls odniesienia na jeden obrót. Szerokość impulsu nie może wynosić więcej niż ćwierć okresu wzorca przyrostowego, aby również przy 4-krotnym mnożeniu doliczyć do właściwej wartości kątowej, gdy system był bez napięcia (rys. 5). Tak jak przy odczycie wzorca przyrostowego, otwór wzorcowy musi być węższy przy większej rozdzielczości, co w następstwie daje mniejszą amplitudę sygnału. Nie ma tutaj jednak możliwości prostego dodania kolejnych otworów w jednym okresie podziału. Jest jednak inna możliwość wzmocnienia sygnału. Można zaopatrzyć zarówno obracającą się płytkę, jak i nieruchomy wzorzec odniesienia we wzory o różnej szerokości kresek, co powoduje, że natężenie sygnału w wąskim interwale odróżnia się wyraźnie od poziomu podłoża. Jeżeli chodzi o impulsatory o rozdzielczości pomiędzy 700 i 1600, to używamy przykładowo wzoru o czterech kreskach, co w porównaniu do pojedynczego otworu daje sześciokrotnie wyższą amplitudę sygnału (rys. 6).

Optyczne odczytywanie w miernikach podających wartość absolutną

W miernikach podających wartość absolutną ponownie występuje problem, że wyższa rozdzielczość powoduje mniejsze natężenie sygnału, przy czym jednak nie można zastosować żadnego z rozwiązań, które podaliśmy dla sygnału przyrostowego czy dla impulsu odniesienia. W enkoderach do 10 bitów o rozdzielczości 1024 można dla każdego bitu w kodzie wykonać jeden prosty otwór odniesienia (rys. 7). W enkoderach o wyższej rozdzielczości trzeba szukać innych rozwiązań.

W naszym modelu impulsatora 672 o rozdzielczości 12 bitów używane jest np. (opatentowana) kombinacja pewnego wzorca oraz dekodowania w bramce, co daje kombinację dobrej amplitudy sygnału z wysoką rozdzielczością. W innych wysokorozdzielczych urządzeniach często łączy się wzorce kodowane absolutnie (bezwzględnie) ze wzorcem przyrostowym o silnej intrapolacji. Sygnały różnych wzorców są ze sobą synchronizowane, przez co uzyskuje się rozdzielczość 16 bitową i wyższą.