Оптичний енкодер або жарт виробника

Рано чи пізно в житті кожної самоделкина виникає потреба в покупці чогось такого отакого, що зазвичай саме в голову не прийде. Ось і я жив собі спокійно і про енкодер навіть не замислювався.

Хоча мушу визнати досвід роботи з енкодер мав. Якось в одній з виробів використовував енкодер з принтера.

У цій історії все сталося раптово. Повзаючи по своїм хоббійним формами натрапив на конкурс. Розігрувався комплект з 3 наборів для самостійної збірки сервоконтроллеров. Я зареєструвався на цьому форумі, подав заявку (разом з 3 або 4-ма всього лише учасниками) і ... виграв.

Так я став володарем 3-х наборів для складання сервоконтроллеров. Далі мені потрібні були енкодери. Дозволю собі пояснити для Новомосковсктелей не так глибоко занурених у електронні компоненти, що таке сервоконтроллер, енкодер і з чим все це їдять.

Є 2 основних способи управляти точним переміщенням у виробах з ЧПУ (числове програмне управління). Спробую пояснити максимально доступною мовою, без складних схем і термінів.
Перший спосіб це крокові двигуни. Кроковий двигун має складний пристрій - кілька котушок, що притягують сердечник в заданих положеннях.

Кількість положень, в яких може бути зафіксований сердечник називається кроками, проміжні положення (регулюються різними проміжними напруженнями і відповідно магнітними полями) називають мікрошагамі. Управляє кроковим двигуном драйвер - це плата управління, як правило з мікроперемикачами кроків і регулюванням струму, що протікає через двигун. На вхід драйвера подаються сигнали: Enable (дозволити роботу крокової двигуна), DIR (напрямок обертання), STEP (кількість кроків, на яке двигуну необхідно повернути вал). І драйвер переводить команди в обороти вала двигуна. Дуже проста і надійна конструкція. З мінусів - швидкість обертання двигуна обмежена через його конструктиву, і якщо двигун пропустить по тій або іншій причині кроки, то керуюча програма про це не дізнається. Звідси і область застосування - низько і середньошвидкісні двигуни в заданій області навантажень. Наприклад 3Д принтер або хоббійние верстати.

Другий спосіб керувати переміщеннями - сервомотор. Мотор сам по собі може бути будь-яким, постійного або змінного струму, без різниці. Єдина умова, його вал повинен мати енкодер. Енкодер - це пристрій визначення позиції вала в даний момент часу. Про енкодер ми поговоримо докладніше трохи пізніше. Сервоконтроллер має інший принцип роботи, на відміну від драйвера крокової двигуна. Сервоконтроллер отримує на вході ті ж самі сигнали Enable, STEP, DIR і подає на двигун напруга. Двигун починає обертатися в потрібному напрямку, енкодер повертає дані про становище валу двигуна. Як потрібне положення досягається, вал двигуна в ньому фіксується. Звичайно це сильно спрощено, тому що є прискорення і гальмування двигуна, управління струмом і напругою, пропорційно-інтегрально-диференціює (ПІД) регулятор в контурі зворотного зв'язку, ... але ми ж домовилися в цей раз не сильно лізти в теорію.

Які ж плюси серводвигунів: будь-яка швидкість обертання, відсутність пропуску кроків, безшумність (кроковий двигун відчутно гучний в роботі через свого конструктиву). Але ціна сервоконтроллеров вище і істотно драйверів крокових двигунів. Тому основна ніша сервоконтроллеров - професійне застосування.

Для свого проекту я вибрав двигуни Динамо Слівен. Ці двигуни широко використовувалися за радянських часів в ЕОМ і їх було якесь нереально велика кількість. Здається, що практично будь-який хоббійщік або має такий двигун або стикався з ним. На блошиних ринках їх досі перепродують. Це двигуни постійного струму з фантастичним невбиваним ресурсом і стійкістю до будь-яких знущанням.

Тепер вже практично переходимо суті огляду - до енкодер. Вибір енкодера був здійснений за характеристиками і ціною. Які бувають типи енкодерів. В основному це оптичні і магнітні. Магнітні - коли на краях диска закріплені магніти, а біля них знаходиться датчик Холла.

Рішення дороге, промислове, володіє підвищеною надійністю. Ціна не хоббійная жодного разу.

Оптичні енкодери. Найпоширеніше рішення. Є в кожної мишці. Раніше відповідали за обертання кульки і коліщатка. Тепер кульок вже немає, а ось коліщатка залишилися. Принцип роботи простий - переривання світлового пучка проходять непрозорим тілом.

Оптичні енкодери є 2-х типів: інкрементальні і абсолютні. Інкрементальні діляться на 2 підтипи. Найпростіші інкрементальні - такі як зображені на малюнку вище. Вони визначають перетин світлового потоку і на їх основі можна побудувати, наприклад, тахометр. Недолік даного енкодера полягає в тому, що за допомогою нього неможливо визначити напрямок обертання диска. Інкрементальні 2-х канальні вирішують задачу визначення напрямку обертання диска.

Для цього використовується не один фотодіод, а кілька, зазвичай 4. Вони формують 2 незалежні канали передачі даних, і порівнюючи сигнали з цих каналів можна однозначно зробити висновок про направлення обертання диска.

Які ж недоліки є у даного інкрементального енкодера? Недолік один, але для ряду застосувань він критичний. При ініціалізації енкодера ми не знаємо в якому становищі знаходиться диск. Тобто ми можемо дізнатися тільки напрямок і швидкість обертання диска.

Для отримання повної інформації, а саме - початкове положення диска, напрямок і швидкість обертання використовуються абсолютні енкодери.

Абсолютні енкодери використовують диск зі складною системою кодування положення. Найбільш поширений код Грея - двійкова кодування із захистом від помилок.

Я зупинив свій вибір на Інкрементальний енкодер з контролем напрямку обертання, тобто з двома квадратурними каналами виведення інформації. Дозволи в 100 ліній на оборот диска мені було за очі. Тому на Аліекспрессе я знайшов енкодери за розумну ціну і з потрібними мені характеристиками.

Ось фотка 3-х прийшли мені енкодерів. Дійшли вони тижні за 3.

У енкодерів 4 виведення, Червоний - харчування 5В, Чорний - земля, Кольорові - канали А і В.
Я швиденько виточив втулочки на вал двигуна під кріплення диска, вгвинтив туди стрижень з різьбленням.

На 3Д принтері роздрукував майданчик під кріплення датчика енкодера

Зібрав усі разом

Підключив сервоконтроллер, і ... тут би був щасливий кінець огляду, але немає. Нічого не запрацювало. Навіть близько нічого не запрацювало.

Підключив осцилограф і зрозумів, що ніяких квадратурних сигналів на виході немає, тільки шуми, наведення і незрозумілі виплеск. Я грішив був на все на світі. І на вимогливість до позиціонування, і на засвічення, і на наведення електромагнітні. І годинами акуратно возюкал датчик в різних положеннях, вимикав світло і намагався зробити все те ж саме в темний. «Крокодил не ловиться, не росте кокос.» Зрозуміло я перепробував всі 3 енкодера. Скрізь те ж саме. І тут мене смикнуло поразглядивать датчик в мікроскоп.

Те що я побачив повалило мене в здивування. Всі 4 сенсора стояли в ряд по радіусу диска, тобто засвічувалися через проріз диска одночасно. Зрозуміло нічого не працювало. Датчики повинні стояти перпендикулярно радіусу диска, і засвічуватись послідовно різними фронтами прорізи диска. Я не міг повірити, що це так просто і так нерозумно. Китайці поставили датчик з поворотом на 90 градусів. Я запитав на форумі у такого ж як я покупця таких же енкодерів як у нього стоїть датчик. І у нього все було також неправильно і не працювало.

Почухавши потилицю я вирішив спробувати цю справу виправити. Енкодер розібрався легко, за допомогою фена розплавив термоклей і дістав нутрощі.

Підніс датчик до диска так щоб сенсори був поперек рисок. Звичайно датчик коректно не встав, але на осцилографі почав з'являтися якийсь осмислений сигнал.

Далі розрізав корпус енкодера збоку, нарости проводочками відстань між світлодіодом і матрицею сенсорів і засунув все в корпус по-новому.

На фото видно, що сенсори стали перпендикулярно радіусу диска.

Зібрав, підключив до сервоконтроллеру і ... Бінго, все запрацювало! Мотор встав в режим утримання позиції. Тобто при спробі провороту вала двигуна, мотор впирається і якщо його все ж провернути, то повертається у вихідне положення.

Ну а далі двигун займе своє місце на фрезерному верстаті, але це вже зовсім інша історія. -)

У продавця купа позитивних відгуків на такий енкодер. Або це все липа, або, що ймовірніше, шлюб пішов масово зовсім недавно.

Всім добра і задоволення від своїх захоплень!