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蓝光编码器走向反射式——iC-PR,iC-PX新葡京网上赌场

蓝光编码器走向反射式



简介

跟着在一些使用中不竭增长接纳自动化机械,定位装备正成为很多体系的重要组成部门。为了准确掌握机电,编码器正成为最受欢迎的解决方案。编码器能够基于差别的道理操纵,比方:光电、磁性、机器等,供给增量或绝对位置数据。编码器还能够在需求时照顾多圈信息,所有这些可能性都促进了一个灵敏的产物,供给差别尺寸,适用于各类情况。因为编码器的这类高度灵敏的性子,以及自动化机械的扩大利用,愈来愈多的使用开端操纵位置编码器。

为了更好顺应差别的使用和它们的特定要求,新的编码器手艺需求不竭地开辟和施行。具有蓝光的反射式光电编码器是这类新技术的一个示例,使用该手艺 iC-Haus 的 iC-PR 和 iC-PX 系列集成电路曾经公布。本文具体引见了这类新技术的特性和优势。


目次

一、光电编码器的基本原理和新的应战

二、透射式和反射式光电编码器之间的比力

三、反射式解决方案

四、iC-PR 的特性和组装公役

五、iC-PX 的特性和组装公役www.11599.com

六、优势

七、使用

八、总结

九、文献



一、光电编码器的基本原理和新的应战

从产业生产线到家用电器,自动化正在到场大多数新产品的设想。在这种情况下,线性和扭转编码器是机电准确定位的终极解决方案,替换老旧器件,如电位器、同步器、扭转变压器等。

编码器能够按照差别的道理来操纵,比方:光电、磁性、机器和其他。按照传感器范例,编码器供给增量或绝对位置数据。第一个仅输出关于增量变革的信息,凡是以 AB 正交脉冲的情势。操纵计数处理器对其前向或后向步幅计数。增量式编码器凡是利用一个零位旌旗灯号来参考启动或复位计数值。另一方面,绝对式编码器传送完好的位置值,该位置值能够随时肯定 (绝对位置是已知的,而不需要经由过程零位标识表记标帜)。绝对编码器还能够在需求时照顾多圈信息,从而告诉编码器的完好扭转次数。

所有这些差别的操纵模式促进了多样化的产物,供给差别的尺寸和合适各类情况。因为编码器的这类高度灵敏的性子,以及自动化机械的扩大利用,愈来愈多的使用开端操纵位置编码器的功用,用于运动掌握。

当比力编码器背后的差别道理时,光电编码器被以为是最准确的。每一种办法都有其本身的长处,而光电编码器凡是供给最高的分辨率和精度。但是,光电编码器也有它的缺陷。因为其光学性子,传感器组件对尘埃、油和其他能够滋扰光路的障碍物敏感。这凡是可经由过程用于编码器的严密密封的外壳来处理。高精度光电编码器面对的另外一艰难是位置偏差的影响,这意味着组装公役凡是十分小,招致编码器的制造历程中复杂性增长,需求高精度组装手艺来到达恰当的旌旗灯号。零丁这个问题就障碍了很多公司制造编码器,由于它们的制造历程无法到达所需的精度程度。

关于光电编码器在一些使用所面对的另一个艰难是编码器所需的空间。一个光电编码器必需具有庇护壳,而且传统 (透射) 光电编码器所需的内部结构招致相称高的高度 (Z尺寸)。这是由于光源 (LED)、码盘和光学传感器必需垂直瞄准,而且它们之间具有恰当的间隔。编码器的这类最低高度限定阻碍了其被诸如小型化机器人手艺的一些松散使用所接纳。以至消耗产物也进入了精细定位掌握的范畴,引入了家用吸尘机器人,飞翔无人机和家庭自动化 (窗帘、透风等主动调理)。这些产物的制造在大规模地停止,为了具有高消费服从,必需承受组装变革偏差。另外,一些装备的松散尺寸也招致了无法接纳大尺寸编码器,而这凡是是产业机械可接受的。

满意这些要求的第一种解决方案是利用磁编码器。简朴的同轴磁编码器能够很容易制造而且只需求十分小的空间,因而是一个契合逻辑的挑选。但是,跟着这些使用的分辨率和精度要求也在演化,磁编码器面对手艺限定。今朝的同轴磁编码器无法到达十分高的分辨率,也不能供给相称高的精度,除非利用更先辈的手艺 (比方: 利用内部插补细分器来提高体系的分辨率和精度),但会招致更高的本钱。另外,磁编码器需求更严厉的屏障抗磁滋扰,这在一些事情情况中能够长短常具有挑战性的。

市场鞭策的这些新需求鼓励了行业寻觅顺应光电编码器特性的办法,使其在这些新条件下也可实现。

 

二、透射式和反射式光电编码器之间的比力

传统的光电编码器依赖于透射光学,这是用于编码器的一种成熟的且共所周知的手艺。 但是,它也有本身固有的缺陷,限定了它在某些状况下的使用。另一方面,反射式光学是光电编码器的另外一可选手艺,它试图改良透射编码器不敷的方面。

固然透射式和反射式编码器具有不异的基本原理,光学传感器领受由码盘挪动调制的光 ,但它们的物理构造较着差别。下图是一个传统的透射式光电编码器的根本构造:



如图1所示,透射式解决方案基本上是经由过程利用码盘 (光栅) 在某些限制地区制造光路的障碍物,而使光穿过其它地区。码盘的次要要求是准确分别通明和非通明地区。这凡是经由过程光刻工艺来实现,此中涂层质料 (比方铬) 堆积在通明基板 (比方玻璃) 的顶部。光刻工艺的精度以及通明和非通明地区之间的对比度来决议码盘的质量。

该手艺的长处是光刻工艺成熟且能够到达十分高的精度,许可在码盘上做十分精密的代码标识表记标帜。这为高分辨率编码器带来更好的旌旗灯号密度。

另一方面,这类构造也带来了缺陷: 为了得到优良的结果,照明必需尽量平均。这需求一个仅经由过程将准直透镜增加到体系来实现的平行光束。这类光学构造大大增长了编码器的垂直尺寸,这关于很多使用是一个不幻想的结果。

另一个缺陷是对传感器定位精度的要求与码盘上的标识表记标帜的密度间接相干。假如利用十分准确的光刻,则传感器相对码盘的位置也必需十分准确,不然旌旗灯号的质量将遭到相称大的影响。这包罗传感器的 XY 位移,以及传感器和码盘之间的间隔。假如码盘上的漏洞十分窄,则在穿过漏洞以后的光衍射将对旌旗灯号具有更大的影响,因而在传感器和码盘之间需求十分严密的气隙以便领受优良的旌旗灯号。关于高端编码器,组装精度要求低于 0.1 mm,这关于很多制造商来说是不可行的。即便关于能到达这类精度要求的终极产物的制造商,组件仍旧需求认真的对齐校准,凡是逐一对编码器利用光学或电子方法停止对齐和查抄,然后对发生的旌旗灯号停止精密校订。这个历程长短常耗时的,限定了制造历程的服从。

上述成绩能够经由过程利用反射式光电编码器来处理。下图形貌了这类解决方案的构造:


比照透射式解决方案,图2中看到的最较着的区分是没有与传感器相对的准直透镜的光源。反射式编码器经由过程从与传感器不异的一侧 (相对码盘) 发射光,并选择性地将光的一部分反射到传感器。在这种情况下,码盘的根本特性是反射地区和非反射地区间的朋分 (比拟透射盘的通明/非通明特性)。和透射盘一样,旌旗灯号的质量取决于码盘标识表记标帜工艺 (光刻) 和朋分地区之间的对比度 (在这类实例,反射/非反射)。

该解决方案在物理尺寸方面的较着优势是不言而喻的。无需准直光学器件,并且 LED 光源与传感器在同一侧,总体积能够大大减小。与透射式解决方案比拟,零丁这个身分曾经使得编码器可以顺应更普遍的使用。松散尺寸光电编码器是可行的,它们也有传统光电编码器的很多长处。

反射式编码器解决方案能够用差别的办法实现,典范的示例是在传感器和 LED 的顶部增加塑料透镜,以便将光束成形为所希冀的外形。但是,利用无透镜设想可实现更好的解决方案。完整消弭内部透镜是能够实现的,且具有更大的灵活性和妥当性:透镜需求针对差别的使用而出格设想,这较着限定了 LED / 传感器和码盘之间的操纵间隔的范畴,同时也增长了操纵条件的限定,比方许可的温度范畴。即便没有分外的透镜,经由过程认真掌握光源光斑尺寸也能够实现十分高的分辨率。经由过程这种方法,利用一个尺度的LED照明尺寸就曾经能够实现中高分辨率了。

我们看到最有益的是在这种情况下: 只要分辨率连结在公道的范围内,就能得到十分小的尺寸,无内部透镜需求,优良的分辨率和精度 (很容易经由过程插补细分手艺进一步提高),以及十分低的组装要求的光电编码器。

 

我们能够比力透射式和反射式编码器的次要特性:

透射式光电编码器:

  • 成熟的手艺

  • 高分辨率和高精度

  • 相称的高度 (Z尺寸)

  • 组装艰难: 小公役, 操纵时期的机器稳定性

  • 码盘到传感器的操纵间隔小

 

反射式光电编码器:

  • 优良的分辨率和精度

  • 易于组装

  • 大机器公役

  • 平面设计: 高度低落

  • 码盘到传感器的操纵间隔大

 

三、反射式解决方案

反射式光电编码器的道理曾经宣布了一段时间。但是,得到一个有着优良机能的,便利的,且易于利用的集成芯片的难度将其局限于能实现的少数制造商的少数产物线上。

近来推出的 Encoder Blue® 产物 (带有蓝光 LED 作为光源的光电编码器) 也被证实可用于反射式编码器。Encoder Blue® 手艺供给了很多长处,比方:

  • 更高的服从 (在不异的光功率,更低的操纵电流),

  • 更高的旌旗灯号清晰度和对比度,

  • 较小的输出旌旗灯号颤动.

 

Encoder Blue® 蓝光手艺曾经用于 iC-Haus 透射式光电编码器 (比方 iC-PT H系列和 iC-PNH 系列),但这些特性也能够明显改进反射式编码器的旌旗灯号。因而,iC-Haus 分离了 Encoder Blue® 手艺和反射式编码器解决方案的长处,公布了全新的增量式光电编码器芯片 iC-PR 系列和 iC-PX 系列。

 

四、iC-PR 的特性和组装公役

第一个照顾蓝光反射式编码器手艺的产物就是 iC-PR 系列。这是一个无透镜反射光学设想的增量式编码器。

ABZ 正交数字输出是可行的,操纵插补细分可获得高达16倍码盘上原始代码物理标识表记标帜的分辨率。这类插补细分是经由过程引脚设置在芯片上实现的。在输出端供给模仿旌旗灯号的可选功用。模仿正弦/余弦旌旗灯号能够毗连到内部插补细分器,用于加强细分。

正如预期的 Encoder Blue® 解决方案,iC-PR 也集成了一个蓝光 LED 用作照明源。该蓝光 LED 手艺具有所有前面提到的长处,而且由一个闭环控制电路驱动,该闭环控制电路按照由传感器发生的旌旗灯号的幅度来主动适配 LED 电流。如许能够确保编码器的不变运转,抵偿诸如因为温度或老化效应惹起的 LED 服从偏向的变革,大概以至抵偿 iC-PR 和码盘之间气隙的机器变革。

iC-PR 系列由差别的型号 (iC-PRxxxx) 构成,每一个都具有针对特定码盘直径和分辨率优化的高密度相位阵光电传感器。所有可选功用都由引脚设置,因而不需要耗时的编程历程。

 

iC-PR 系列的主要特点以下:

  • ABZ 正交输出,带零位旌旗灯号

  • 无透镜设想

  • 针对 Ø4 mm, Ø14 mm, Ø26 mm 和 Ø43 mm 的反射式码盘停止了优化

  • 单片设想: 集成了高密度相位阵,旌旗灯号调理,模仿/数字转换和 LED 功率掌握

  • 集成蓝光 LED 与主动功率掌握: Encoder Blue®

  • 数字 (1倍至16倍细分) 或模仿 (正弦/余弦) 操纵

  • 最小旌旗灯号沿距掌握 (80 ns, 1 μs, 10 μs)

  • 可选的 Z 脉冲 (零位) 宽度

  • 工作温度: - 40 °C 至 + 105 °C

  • 引脚设置

  • optoQFN 封装 4 x 4 x 0.9 mm

  • 低功耗: 典范值 20 mA (包罗 LED)



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利用反射式编码器解决方案最重要的益处之一是宽松的组装公役。关于 iC-PR 系列,典范的组装精度要求如图3所示。

该图显现,公役比透射式编码器的尺度值大几倍。这里的一个主要值是可接受的操纵间隔,范畴从 1 mm 到 3 mm,只要它连结在这个范围内,许可变革。这类宽大差能够经由过程传感器的精细设想以及自动控制的 LED 功率来得到。

 

五、iC-PX 的特性和组装公役

关于不需要 iC-PR 中包罗的各类功用,但仍旧想操纵松散的尺寸和宽松的组装要求的相对简朴的体系,iC-Haus 供给 iC-PX 系列。

iC-PX 适用于 AB 增量体系 (正交旌旗灯号,无零位标识表记标帜),而且不供给模仿输出模式。这促进了更小的芯片尺寸,合用 3 x 3 mm optoDFN 封装。

 

iC-PX 系列的主要特点以下:

  • AB 正交输出

  • 无透镜设想

  • 针对 Ø26 mm 和 Ø32 mm 的反射式码盘停止了优化

  • 单片设想: 集成了高密度相位阵,旌旗灯号调理,模仿/数字转换和 LED 功率掌握

  • 集成蓝光 LED 与主动功率掌握: Encoder Blue®

  • 数字输出 (引脚可选择1倍至16倍细分)

  • 工作温度: - 40 °C 至 + 105 °C

  • optoDFN 封装 3 x 3 x 0.9 mm

  • 低功耗: 典范值 13 mA (包罗 LED)


 

因为不带零位标识表记标帜,传感器相对码盘的位置以至愈加灵敏。


六、优势

尺度封装: 该选集成解决方案接纳用于 iC-PR (QFN尺寸,带光电传感器的玻璃窗) 的 optoQFN 封装,以及用于 iC-PX 的 optoDFN 封装,大大简化了 PCB 设想。封装以及芯片高度与其他 QFN / DFN 尺度芯片不异。这消弭了市场上其他反射产物所需求的创立特定PCB元件占位的麻烦。


图5:iC-PR , iC-PX的尺度QFN/DFN 元件占位和尺寸

更高的温度范畴: iC-Haus 的所有反射式编码器芯片都实现了无透镜设想。这低落了模块的高度,并提供了前一章提到的其他长处。其他解决方案需求在体系的顶部安排一个塑料透镜,但是 iC-Haus 的手艺是不需要的。塑料透镜不只增长了体系的高度,并且还限定了最高工作温度,凡是为 + 85 °C。利用 iC-Haus 的无透镜反射手艺,最大工作温度为产业凡是要求的 + 105 °C。

更宽的操纵间隔: 带透镜的反射式解决方案的另一个限定是传感器和码盘的操纵间隔范畴。因为透镜的焦距,间隔允许范畴窄,凡是为 ± 0.25 mm。iC-Haus 的反射手艺分离了无透镜设想与主动 LED 功率掌握,将许可的操纵间隔范畴增长到 1 至 3  mm,始终具有不变的输出。

更高质量的旌旗灯号: iC-Haus 的反射解决方案还集成了蓝光 LED 和高密度相位阵光电二极管,针对差别的码盘尺寸停止了优化。蓝光 LED 和蓝光加强型高密度相位阵光电二极管发生了具有更高对比度的更明晰的旌旗灯号。这促使低落输出颤动,即便在细分以后。光电二极管针对笼盖多种直径范畴的差别码盘尺寸停止了优化,以至超松散的 4 mm 直径的码盘也在内。当利用模仿输出停止内部插补细分时,这类优化尤其主要,由于正弦/余弦旌旗灯号的质量连结杰出,许可高精度和高分辨率插补细分。



6:反射式编码器传感器根本光学设想和光芒追迹模子

易于利用: iC-PR 和 iC-PX 系列完整可由引脚设置,制止了编程和校准的复杂性,从而削减了编码器的制造工夫。以及宽松的组装公役,能够明显提高编码器生产线的整体服从。



七、使用

反射式编码器可用于差别的使用,偶然可用于替换其他范例的编码器,在某些状况下可用于当前编码器手艺还没有到达的新使用中。

大多数具有增量定位检测的运动掌握安装能够操纵 iC-PR 或 iC-PX 系列,但反射式编码器的次要核心在紧凑型编码器使用,比方:

  • 小型机电和施行器

  • 产业自动化机器人

  • 消耗机器人

  • 增量式编码器

  • 单轴或多轴定位平台

 

八、总结

从产业机器到家用电器,所有范畴的自动化程度正在疾速提高。这对编码器提出了新的要求,编码器是运动掌握的根本装备。在这方面,反射式光电编码器是一种新技术,它分离了高机能和松散的尺寸。

特别是接纳蓝光编码器手艺的 iC-Haus 反射式光电编码器不只供给小尺寸,并且供给妥当性和良好的组装公役,同时还供给杰出的输出旌旗灯号。

iC-PR 和 iC-PX 系列易于利用,适用于各类增量式编码器,不会给制造历程带来复杂性。这使得更普遍的产物能得到准确运动掌握的益处。

 

九、文献

[1] Wikipedia: Rotary Encoder, https://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_encoder

[2] relative Encoder Design: Magnetic or Optical?, Whitepaper iC-Haus, http://www.ichaus.de/wp6_magnetic_vs_optical

[3] iC-PR Series – Reflective Opto Encoders, Datasheet iC-Haus GmbH www.ichaus.de/PR_Series_datasheet_en

[4] Basics of Rotary Encoders: Overview and New Technologies, http://machinedesign.com/sensors/basics-rotary-encoders-overview-and-new-technologies-0

[5] Basler S. (2016) Encoder und Motor-Feedback-Systeme, Springer Vieweg


文章(资料来源于iC-HAUS官方网站)






    


上传工夫:2017-09-06