Угловой энкодер: устройство и процедуры обработки данных

[Dale]

Обсуждение статьи: «Угловой энкодер: устройство и процедуры обработки данных»

[Sla]

Что-то я не увидел требований к точности измерений, к погрешности, к наличию мертвой зоны.
Почему-то не рассматривался простейший энкодер на переменном резисторе
Или, как вариант, используя акселерометр можно определить угол наклона, который пропорционален углу поворота.

[Dale]

Что-то я не увидел требований к точности измерений, к погрешности, к наличию мертвой зоны.

Это пока еще тема будущих исследований. Попытаюсь выяснить, какой реальной точности смогу добиться на самодельных датчиках, не покупая промышленные порядка 50.000р.

Получу опытный образец - попробую выжать из него максимум возможного.

Почему-то не рассматривался простейший энкодер на переменном резисторе

Даже как вариант не рассматривался.

Механическая непрочность к истиранию ползунка при постоянном движении, шум при перемещениях, ненормируемая линейность в зависимости от угла поворота. А главное - диапазон измеряемых углов: подавляющее большинство переменных резисторов дают менее оборота; больше 10 оборотов вообще не видел. А вал может делать не одну сотню оборотов на полное перемещение. Значит, понадобится еще и редуктор, который тоже предстоит делать своими руками.

Опять же, температурная нестабильность резистора... Плюс дефицитные прецизионные комплектующие для аналоговой части, многоразрядный АЦП со своими собственными заморочками... Куда милее считать цифровые импульсы.

Или, как вариант, используя акселерометр можно определить угол наклона, который пропорционален углу поворота.

С акселерометром тоже не все понятно. Доступные по цене датчики имеют скромную точность, плюс будут реагировать на каждую вибрацию, которая тоже дает ускорение. Отдельный геморрой - наладить обмен данными с многооборотным диском. Интересно, экзотично, но вряд ли окупится.

[RXL]

Попробовал сделать в симуляторе счетчик на дискретной логике.

Основная логика: flip-flop триггер и два элемента xor. Скорость обработки ограничена быстродействием триггера. На симулятор на серии 74HC показал ширину строба 360 нс.
Вторая половина схемы преобразует сигналы в стробы +1/-1.

Может пригодится на случай, если контроллер не будет справляться с импульсами по прерываниям.


Добавлено через 2 часа, 33 минуты и 37 секунд:
Кстати, готовые микросхемы-декодеры со счетчиками и интерфейсом сопряжения с м/к: HCTL-20xx

Я не в плане того, что статья не нужна. Просто может в конструкции станка такой декодер будет надежнее...

[Dale]

Дороговатые микросхемы, и ожидание 3-4 недели.

Интереснее было бы попробовать контроллер со встроенным декодером. Вроде такие есть, но сам еще не пробовал.

[RXL]

Попадался материал, что XMega может. Но это чип уже другого уровня, чем 8-битные AVR. И тоже дороже.

В литературе данный энкодер также называется квадратурным датчиком.

Добавлено через 4 минуты:
В программном исполнении меня смущает возможный дребезг, который ты описал в статье. Он может он может оказаться достаточно высокой частоты для обработки его по прерыванию и тогда возможен пропуск сигнала. В даташитах на те чипы есть схема фильтра на D-триггерах, логике и с источником синхры.

[Dale]

Есть хорошая альтернатива прерываниям - фиксация состояния по таймеру. Механика в данном приводе не слишком шустрая, поэтому даже умеренной частоты заведомо хватит. Разумеется, если использовать последний алгоритм с автоматом. Тогда быстрых дрожаний на краю риски контроллер вообще не заметит.

Добавлено через 1 день, 10 часов, 34 минуты и 13 секунд:
В первом приближении работу с текстом закончил. Можно вычитывать на предмет ошибок и недочетов.

Добавлено через 8 часов, 48 минут и 5 секунд:
Вычитал, подчистил найденные огрехи. Готово к рецензированию.

[Sla]

Мне нравится
Освежил в памяти.

[Dale]

Если интересно, потом напишу о результатах воплощения этих дел на практике.

[RXL]

Практика всегда интересней теории

Добавлено через 23 часа, 17 минут и 28 секунд:
Вопрос: известно что-либо о влиянии дифракции на дребезг оптического датчика?

[Dale]

Вопрос: известно что-либо о влиянии дифракции на дребезг оптического датчика?

В литературе ничего не попадалось. По моим собственным соображениям, размытие области полутени из-за дифракции неизбежно должно привести к дополнительному дребезгу.

Впрочем, опять же по моей предварительной оценке, этот дребезг не должен быть особенно критичным, поскольку я все равно не смогу сфокусировать луч своей самодельной оптопары в точку. Линз у меня там не будет за неимением таковых, будет лишь диафрагма конечных размеров, и штрих на диске не сможет перекрыть ее всю сразу, а значит, полутень неизбежна. А поскольку размер моей диафрагмы (доли миллиметра) гораздо больше длины волны красного света (в качестве источника использую красный светодиод), то и доля дифракции в общем размытии границы между светом и темнотой должна быть не слишком значительной.

Есть некоторая надежда на триггеры Шмитта на входе МК, но их данные в даташите на ATmega16 не слишком вразумительны. Все больше склоняюсь к периодическому опросу сигналов с заведомо достаточной частотой и дальнейшей их обработке симметричной процедурой. Как-то более детерминированно получается.

[RXL]

Если я правильно читал даташиты, "обычные" входы у этих чипов имеют зону неопределенности 0.1—0.6 Vcc (интересно, можно ли ее рассматривать как гистерезис?), а входы с триггером Шмидта имеют порог 0.7 Vcc и гистерезис 0.05 Vcc.

А почему выбран красный светодиод, а не классический для оптопар ИК? Чувствительность кремниевых фотоприборов выше для более длинных волн.

[Dale]

А почему выбран красный светодиод, а не классический для оптопар ИК? Чувствительность кремниевых фотоприборов выше для более длинных волн.

Несколько выше, но не критично. Но на время экспериментов хотелось бы видеть, куда попадает луч. С инфракрасным придется работать вслепую.

У меня в запасе лежат ИК светодиоды, думаю установить их потом, когда отработаю конструкцию. Но сначала еще нужно проверить прозрачность диска и штрихов в ИК-диапазоне, тут тоже возможны сюрпризы.

[RXL]

Хорошие "глаза" для ИК - CMOS-матрицы. Например в мобильнике.

[Dale]

Вряд ли разрешение потянет, да и неудобно. Скорее всего, придется в зазор оптопары стоматологическое зеркальце совать. Лучше потом засуну ИК в отъюстированный прибор. Если вообще до этого дойдет, вдруг маска на диске окажется малоконтрастной в ИК.

[RXL]

Думаю, что подбор оптимальной позиции элементов логично делать не в сборке, а отдельно. Ведь это никак не повлияет на работоспособность.

[Dale]

В отработанной конструкции, скорее всего, настройка или вовсе не потребуется, или будет достаточно простой. А пока что для стенда такой клудж получается... Немного погодя покажу - не будете знать, плакать или смеяться...

[RXL]

Знаем-знаем: навесной монтаж и туча проводов.

[Aether]

Продолжение будет?

[Dale]

Не исключено, если есть интерес к теме. Не одними же политсрачами наполнять форум.

[Aether]

Так, изначально, какая цель ставилась: сделать энкодер для, например, реализации обратной связи от шагового двигателя, который при перегрузках способен пропускать шаги, безвозвратно теряя точность? Для любительских ЧПУ это бывает актуально. И тогда нужно определиться с исходными данными конкретнее.

Интересно, как предполагается изготавливать сам мерный диск (или барабан) для энкодера. Судя, что прочёл, фотошаблон, но каков материал диска и технология переноса шаблона на него? Предполагается ли использовать проектор для повышения качества? Почему не устраивают механические способы изготовления?

[Dale]

Так, изначально, какая цель ставилась: сделать энкодер для, например, реализации обратной связи от шагового двигателя, который при перегрузках способен пропускать шаги, безвозвратно теряя точность? Для любительских ЧПУ это бывает актуально. И тогда нужно определиться с исходными данными конкретнее.

Энкодер планировалось поставить на привод подвижного вала самодельного трубогиба. Там усилие требуется достаточно большое (я замерял момент подручными средствами - порядка 100 Н*м), шаговый двигатель разумных размеров (и стоимости) не потянет. Сделали сервопривод из электродвигателя с редуктором и энкодера на валу винтовой передачи.

Интересно, как предполагается изготавливать сам мерный диск (или барабан) для энкодера. Судя, что прочёл, фотошаблон, но каков материал диска и технология переноса шаблона на него?

Для макета я фрезерным циркулем вырезал из поликарбоната диск диаметром около 10 см. и наклеил на него лимб, распечатанный с помощью лазерного принтера на прозрачной пленке (я обычно ее использую для фотошаблонов в домашних условиях). В дальнейшем планировал изготовить диск из тонкого листового металла путем вытравливания окошек по маске из фоторезиста (примерно так же, как травлю печатные платы). Но время поджимало, и на реальный агрегат пошел энкодер фабричного производства, купленный по случаю на ebay.

Предполагается ли использовать проектор для повышения качества?

За неимением такового - не предполагал, да и не уверен, что это реально повысит качество.

Почему не устраивают механические способы изготовления?

Опять же - за неимением возможности. Не располагаю оборудованием, способным фрезеровать окошки размером порядка 0.5 мм. А вот при помощи фотохимии изготовлю их без проблем.

Дело в том, что занимаюсь электроникой я в качестве хобби, и возможности у меня соответствующие - в пределах не очень щедро оборудованной домашней мастерской.

[Aether]

Энкодер планировалось поставить на привод подвижного вала самодельного трубогиба.

Делал ручной трёхвалковый трубогиб с верхним подвижным роликом. Для кустарных дел неплохо, цель в виде трубы 60х40х3 достигнута. Для бо`льших же размеров сделал ряд выводов, но это уже переведёт стоимость станка в разряд промышленного оборудования.))

, да и не уверен, что это реально повысит качество.

Мне доводилось работать с проекторами. Смысл в чём: если печатать шаблон на принтере, например, 600dpi, то одна точка будет в районе 0,05мм, а на 0,5мм штрих будет потрачено всего 10 точек (ну это, кстати, ещё куда ни шло - на 0,2мм уже критично). Когда риски будут напечатаны в осях Х и У, то спору нет - всё будет нормально, все остальные риски, которые под наклоном, будут иметь рваные края и переменную ширину в силу особенностей растра.
Что позволяет проектор: печатаете на принтере фотошаблон, например, на А4 в размере ф200мм (масштаб для финального ф50мм 4:1), далее кладёте его на стол проектора и система линз уменьшает изображение в 4 раза, туда подкладываете фотоплёнку для качественного фотошаблона или сразу плату с фоторезистом. При этом есть возможность немного расстроить фокус - буквально чуть-чуть, и даже слегка рваные края станут ровными после проявки. Кстати, уменьшать можно во много большее число раз. Мой знакомый, ради потехи, уместил на обычном кадре от мыльницы 9 чертежей формата А1 - всё читалось через микроскоп.)))

[Dale]

Делал ручной трёхвалковый трубогиб с верхним подвижным роликом.

Аналогично, только впоследствии оснастил его электроприводом и автоматикой на микроконтроллере, чтобы не стоять при нем навытяжку, пока он изволит откатать трубу. Вот в телефоне завалялась фотка этой штуковины до установки электроприводов (на этом этапе измерял моменты, которые возникают при реальной работе с железом):

(кстати, не понял, куда подевались опции для прикрепления изображений; пришлось сослаться на посторонний хостинг).

Мне доводилось работать с проекторами. Смысл в чём: если печатать шаблон на принтере, например, 600dpi, то одна точка будет в районе 0,05мм, а на 0,5мм штрих будет потрачено всего 10 точек (ну это, кстати, ещё куда ни шло - на 0,2мм уже критично).

Я для этих целей взял принтер Samsung ML-2570, он дает 1200 dpi при вполне приличном качестве (разумеется, на фирменном картридже без перезаправок порошком сомнительного происхождения). Так что как раз дорожки на платах 0.2 мм обеспечивает (правда, под углом 45 градусов, а не произвольным, но для плат это не проблема), а полумиллиметровые риски - и подавно. Некоторые кулибины обнаглевают настолько, что умудряются получать дорожки 0.2 мм лазерно-утюжным методом, но у меня нет такого адского терпения.

Что позволяет проектор: печатаете на принтере фотошаблон, например, на А4 в размере ф200мм (масштаб для финального ф50мм 4:1), далее кладёте его на стол проектора и система линз уменьшает изображение в 4 раза, туда подкладываете фотоплёнку для качественного фотошаблона или сразу плату с фоторезистом. При этом есть возможность немного расстроить фокус - буквально чуть-чуть, и даже слегка рваные края станут ровными после проявки.

Не, такого у меня в домашнем хозяйстве не водится, - ни проектора, ни даже фотопленки. Все, что есть, - это лазерный принтер и прозрачная пленка для печати. Вместо расфокусировки после печати помещаю пленку в банку с парами ацетона, пористый тонер впитывает ацетон, и зазубринки на наклонных линиях чуть расплываются и затягиваются (заодно изрядно повышается оптическая плотность распечатки). Главное - не передержать, чтобы все не потекло.

[Aether]

Вот, добрался до задачи изготовления абсолютного энкодера для лабораторных задач. Ключевая проблема: не получается пока обеспечить точность измерения. Хотелось бы иметь полноценные 8 бит, однако, при диаметре вала в 80 мм, размер делений получается менее миллиметра. Оптика требует фокусировки и сильного сужения луча, из магнитных схем думаю попробовать следующее: взять ферритное кольцо, разрезать его алмазным диском, чтобы получилась П-образная скоба с двумя заострёнными плечами. Далее, использовать её, как часть LC-генератора, стало быть, при вводе в её проём стального зуба частота должна изменяться, и это можно детектировать. Смущает, что магнитное поле у заострённых концов может исказиться и точность опять потеряется. Вероятно, это общая проблема - повышение точности одновременно повышает требования к режиму эксплуатации.

Хотел бы услышать идеи или замечания.

[RXL]

Эх, любишь же ты себе трудности придумывать...

Как увеличить размер сегмента? Сделай диск энкодера больше.
А в чем сложность оптического датчика? Их выпускают серийно.
Зачем тебе LC генератор?, если есть датчики Хола?

Все уже придумано до нас.

[Aether]

А в чем сложность оптического датчика? Их выпускают серийно.

Изначально думал что целесообразнее: диск или цилиндр. Диск дешевле, однако обеспечить точность сложнее - на меньших диаметрах трапециевидность сегментов становится как бы больше, чем точность внешнего диска. Учитывая, что пятно света не идеальное, будет серьёзная ошибка. А с цилиндром есть нюансы в изготовлении, единственное, что приходит на ум - отстрогать на ЧПУ. Пластина типа V имеет угол заострения 35 градусов, и радиус при вершине 0,6 мм.

Однако, глубина при этом получается миллиметр в лучшем случае. Свет на просвет - не вариант, на отражение вдоль можно попробовать, но это не стандартный датчик будет, плюс рост конструкции в осевом направлении.

Как увеличить размер сегмента? Сделай диск энкодера больше.

Зачем тебе LC генератор?, если есть датчики Хола?

Вот, один из самых маленьких: http://www.murata.com/en-eu/products/productdata/8797584031774/SS29DRE.pdf?1453347008000
Даже он имеет ширину в 1,6 мм, а это значит, что диск должен быть диаметром в районе 200 мм.

[Ochkarik]

стесняюсь спросить - а чем готовые не подходят?

[Aether]

стесняюсь спросить - а чем готовые не подходят?

Может я не всю гамму видел?

В перспективе это решение хочу отработать для конечного исполнения, а именно, посадить энкодер и основное устройство в один агрегат - строго на один вал соосно. И второе: не очень доверяю сторонним производителям именно механической части, какой-нибудь пластиковый элемент может подвести, и причинить значительный ущерб. К тому же играет роль цена, приведу пример, как-то покупали новый экран для станка, так вот, за 12' фирма предложила 41К руб, спрашивается за что? Особенно, когда целый компьютер с монитором вдвое большего габарита стоит дешевле. В общем, коммерция жжёт. Когда речь идёт о пластиковом аппарате для механической мышки, то это стоит копейки из-за массовости производства и повсеместной распространённости, когда же товар единичен, то начинаются нюансы. К слову, уже не раз встречался с фирменными трюками, касательно резьб, на диаметр 6 мм со стандартным шагом 1 мм и мелкими 0,75 и 0,5 мм, люди режут 0,85 мм (по измеренному) дабы стандартный крепёж для ремонта не влезал, стало бы комплект фирменный будешь брать только там где брал и аппарат.

[Ochkarik]

Aether, ну вот вроде мельком глянул маусер - у Burns-a есть готовые. в чипедипе по 700 рэ лежат...
эээ поглядел внимательнее... оказалось он 8 бит но на 128 позиций только. вторая половина при обратном вращении.
на маусере вроде есть но от 60уе и магнитные.
кстати м/с магнитного на 12 бит в чипе лежит за 1200