Совершенно естественно, что в последние годы электронное содержимое машин непрерывно увеличивается, поскольку все больше бортовых механических систем преобразуется в электрические, электронные и мехатронные системы

Принципы работы угловых энкодеров проиллюстрированы рис. 18, 19.

Рис. 18. Инкрементальный энкодер — датчик относительного положения, скорости и направления а–б — угловой инкрементальный энкодер; в — конструкция измерительной головки: 1 — корпус датчика; 2 — светодиод — источник света для инкрементальных каналов А и Б; 3, 4 — ординарные фотодетекторы (фототранзисторы или фотодиоды); 5 — светодиод — источник света для индексного канала; 6 — фотодетектор индексной метки; 7 — терминалы для монтажа на печатной плате; 8 — элементы для монтажа корпуса; 9 — 4-битный (2⁴ = 16 положений) перфорированный ротор с прорезями; 10 — прорези для инкрементальных каналов; 11 — прорезь — индексная метка; 12 — вращающийся вал; г — вариант исполнения 4-битного инкрементального ротора из стекла; д–е — варианты сигналов инкрементального энкодера: д — цифровой инкрементальный энкодер (инкрементальные каналы А и Б, индексный выход В фототранзисторов, канал скорости);

Оптический диск прерываемого энкодера включает кодированную последовательность прозрачных и непрозрачных участков. Маркеры могут представлять собой, например, отверстия в металлическом листе или метки на стеклянном диске. При вращении диска, в зависимости от его типа, маркеры пропускают или перекрывают луч света, направленный от светового источника к фотоприемнику (фотодиоду или фототранзистору).

Фотодетектор генерирует сигнал частотой, равной частоте следования кодовых элементов, в цифровой форме (фототранзистор) или аналоговый импульсный сигнал, который также может быть усилен и оцифрован. При подключении внешнего счетчика прямоугольных импульсов оптический метод позволяет измерять угловую скорость вращения диска. Посредством нанесения специальной индексной отметки, индицирующей начальное положение диска, уже можно измерять относительное угловое положение вала в диапазоне 360° (рис. 18). Этот тип датчиков представляет собой так называемые инкрементальные энкодеры — самые простые и наименее дорогие оптические устройства.

При добавлении второй пары «светодиод-фототранзистор» с угловым смещением относительно первой, соответствующим четверти периода сигнала, может быть получена вторая последовательность импульсов — канал Б с фазовым смещением относительно канала А на 90° (рис. 19д–ж). Инкрементальный энкодер, который использует три оптических датчика (один для детектирования положения фазы 0° — канал В, два других — для формирования инкрементальных каналов с фазовым смещением сигналов в 90°), позволяет одновременно удваивать разрешение при измерении положения и скорости и детектировать направление.

Разрешение инкрементальных энкодеров измеряется в импульсах за оборот (pulses per revolution, ppr). В дальнейшем разрешение может быть увеличено посредством нанесения большего числа линий на оптический диск и добавления пар «светодиод–фотодетектор» в измерительной головке. Максимальное число счетов за вращение представляет собой функцию диаметра энкодерного диска и характеристик светопередачи, определяющих допустимый размер кодовых элементов.

Существуют различные способы нанесения маркеров на оптический диск. В ранних системах чаще использовались металлические диски с перфорацией (рис. 18а–б), но максимальная площадь отверстий для повышения разрешающей способности и точности датчика ограничена — должно оставаться некоторое количество материала, обеспечивающее форму и прочность диска. Современные диски изготавливаются из стекла, маркеры на котором вытравливаются (рис. 18г, рис. 19г). Этот метод позволяет получить типично 100–6000 сегментов, что соответствует разрешению в 3,6–0,06°.

Одним из главных недостатков инкрементального энкодера является то, что последовательность импульсов запасается во внешнем буфере или счетчике. При сбое в подаче питания счет будет потерян. Кроме того, если машина с инкрементальным энкодером предполагает отключение на ночь, то на следующий день энкодер не сможет предоставить информацию о точном положении вала, пока не будет активирован внешний переключатель (home-detection switch) или программа подключения, вращающая вал до прохождения индексной отметки, которая затем каждый раз обнуляет буфер счетчика, начиная отсчет относительного положения.

Решение данной проблемы предоставляют абсолютные энкодеры (рис. 19), которые используют более точный метод определения положения, основанный на кодировании абсолютного положения посредством множественных групп сегментов, размещенных на диске по линиям концентрических окружностей.

Рис. 19. Абсолютный энкодер — датчик абсолютного положения и скорости а–б — 4-битный угловой абсолютный энкодер; в — конструкция измерительной головки: 1 — корпус датчика; 2 — массив светодиодов; 3 — массив фотодетекторов (фототранзисторов или фотодиодов); 4 — терминалы измерительной головки; 5 — 4-битный ротор с кодом Грэя; 6 — вращающийся вал; г — вариант исполнения 4-битного абсолютного ротора с двоичным кодом из стекла; д — выходной цифровой код двоичного абсолютного энкодера; е, ж — линейный 4-битный абсолютный энкодер с двоичным кодированием и оцениванием посредством V-выборки; 1 — корпус измерительной головки; 2 — измерительная линейка; 3 — массив фотодетекторов V-выборки; е — оценивание посредством V-выборки: AB₀, A₁…A₄, B₁…B₄ — фотодетекторы в составе двух линеек V-выборки (выбираемые для оценивания подсвечены желтым); ж — иллюстрация линейного абсолютного энкодера.

Концентрические окружности начинаются в центре энкодерного диска, при этом каждая следующая окружность характеризуется количеством сегментов, удвоенным по сравнению с предыдущей. Первое кольцо будет иметь только один прозрачный и один непрозрачный сегмент, второе — два прозрачных и два непрозрачных, третье — по четыре тех и других и т. д. Число окружностей определяет разрядность энкодера: 4 окружности соответствуют 4-разрядному энкодеру (2⁴ = 16 положений), 16 — 16-разрядному устройству с 32 767 сегментами и угловыми положениями.

Для считывания двоичного кода посредством абсолютного энкодера необходим один источник света и один фотоприемник для каждой линии на энкодерном диске. В измерительной головке светодиоды и, что более важно, фотодетекторы объединяются в линейные массивы (рис. 19в).

Поскольку абсолютный энкодер образует последовательность битов, различную для каждого углового положения, он всегда предоставляет информацию об угловом положении системы, при включении и выключении не нуждается в переключателе нулевого положения и программе подключения и более устойчив к шумам, так как следующее за сбойным положение будет прочитано правильно.

В энкодере на рис. 19а-б четыре оптических датчика детектируют маркеры диска с четырехбитным кодом Грэя, который позволяет закодировать 16 положений диска без опорной отметки: для каждого перехода сигнал изменяется только на один бит. Код Грея характеризуется отсутствием ошибок, но его недостаток — применение различных схем кодирования, более сложное оценивание сигналов и неоднозначность сигнала при неожиданном сбросе.

Другой вариант — использование стандартного бинарного (двоичного) кода, но на практике этот тип энкодеров имеет один недостаток: при переходе от 1111 к 0000 все четыре бита изменяются одновременно, и если переход в реальной системе выполнен не одновременно, это может приводить к ошибкам.

Для минимизации ошибок в двоичном коде предназначена так называемая V-выборка, принцип которой для диска, развернутого в прямую линию, проиллюстрирован на рис. 19е. Две линейки светодиодов и фотодетекторов размещаются в V-образной форме, для которой фотодетектор AB₀ является общим. Для оценки V-выборки разработан специальный алгоритм, согласно которому логическое значение «0» или «1» для данного положения детектора, выбранного в линии i, определяет, какой детектор — «B» или «A» — должен быть активирован в линии (i+1). Если AB₀ соответствует логическая «1», во второй линии анализируется A₁, если AB₀ соответствует логический «0», анализируется B₁. Поскольку A₁ на рис. 19е — «0», в линии 3 берется детектор B₂. Последовательность выбранных фотодетекторов на рис. 19е подсвечена желтым цветом.