3.5.2. Абсолютные энкодеры

Сенсоры угла поворота прошли большой путь совершенствования. За много столетий развития техники создано немало разных методов и устройств. Сначала это были исключительно механические устройства. В них с помощью механических передач угол поворота или количество выполненных оборотов преобразовывались и отображались в виде перемещения стрелки вдоль шкалы с градусными делениями или в виде числа, формируемого в прозрачном окошке системой колесиков, на ободе которых нанесены цифры.

В середине ХХ века более популярными стали магнитные и электрические сенсоры угла поворота или количества оборотов. Принцип работы некоторых из них (электрических, магнитных) описан в других разделах книги. Ныне для измерения углов поворота и количества оборотов все чаще стали использовать оптоэлектронные энкодеры. По принципу действия принято различать так называемые " абсолютные " и "инкрементные" энкодеры.

Абсолютные энкодеры выдают на свой выход цифровые коды, которые отвечают абсолютному значению угла поворота относительно положения, принятого за нуль. Принцип действия абсолютного энкодера, рассчитанного на один оборот, объясняется на рис. 3.12. На вал, закрепленный на двух прецизионных подшипниках и кинематически соединенный с узлом, вращение которого контролируется, насажен кодовый диск. На последнем выделены кольцевых дорожек с прозрачными и непрозрачными участками. Напротив дорожек с одной стороны диска установлены светодиоды с цилиндрической линзой, а с другой стороны – линейка фотодетекторов, по одному на каждую дорожку. Прозрачный и непрозрачный участки на дорожках подобраны так, чтобы каждому угловому положению кодового диска соответствовал свой уникальный двоичный код на выходах линейки фотодетекторов.

Один из возможных вариантов кодирования диска показан на рис. 3.12 справа. Сфокусированный цилиндрической линзой в радиальную черточку свет от светодиодов проецируется на кодовый диск. Свет свободно проходит сквозь прозрачные участки дорожек и, попав на соответствующие фотодетекторы, вызывает появление сигнала "1" на выходах соответствующих усилителей. Сквозь непрозрачные участки дорожек свет не проходит, и на выходах соответствующих усилителей формируются сигналы "0".

Рис. 3.12. Конструкция и принцип действия абсолютного энкодера

Общее число возможных п-разрядных двоичных кодов составляет 2ⁿ. Поэтому точность определения углового положения диска равняется (360 2ⁿ⁺¹). В случае использования 10 кольцевых дорожек и 10 фотодетекторов в линейке точность определения угла составляет 0,4 , а при использовании 20 дорожек и 20 фотодетекторов – уже 0,0004 . При современном состоянии технологии микроэлектроники это оказывается совсем недорого. И поэтому такие энкодеры стали весьма популярными. Их широко применяют в антенных системах, в астрономии для определения небесных координат звезд, в геодезических приборах, в системах кругового наблюдения и т.д.

Тем не менее, имеется много практических задач, когда кроме знания углового положения в пределах одного оборота надо регистрировать также количество полных оборотов и их направление. Т.е. надо определять углы не в пределах от 0 до 360 , а в пределах от до . Для этого ныне используют многооборотные энкодеры, принцип действия которых показан на рис. 3.13. С помощью зубчатых или других механических редукторов угол поворота уменьшается в нужное количество раз, и кодовые диски дополнительных степеней отсчитывают количество оборотов в нужных пользователям границах.

Рис. 3.13. Принцип действия многооборотного абсолютного энкодера

В абсолютных энкодерах информация об угловом положении вала сохраняется даже при отключении питания, поскольку фиксируется физически положением кодовых дисков. При использовании для кодирования положения вала обычного двоичного кода переход к соседнему положению может послужить причиной изменения нескольких бит одновременно. Например, при переходе от 0111 до 1000 изменяются одновременно 4 бита. Поэтому вблизи позиции перехода из-за некоторой несинхронности изменения разрядов могут кратковременно выдаваться неверные коды.

Избавиться этого позволяет кодирование известным кодом Грея. В таблице 3.1 приведены коды Грея для натуральных чисел от 0 до 15. Биты, которые изменяются при переходе от предыдущего натурального числа, в таблице 3.1 выделены. Легко видеть, что на каждом шаге изменяется лишь один бит. Для сравнения в правом столбце показаны обычные двоичные коды, которые такого свойства не имеют.

Таблица 3.1. Коды Грея и обычные двоичные коды для натуральных чисел от 0 до 15
Натуральные числа	Коды Грея	Обычные двоичные коды
		23	22	21	20
0	0 0 0 0	0	0	0	0
1	0 0 0 1	0	0	0	1
2	0 0 1 1	0	0	1	0
3	0 0 1 0	0	0	1	1
4	0 1 1 0	0	1	0	0
5	0 1 1 1	0	1	0	1
6	0 1 0 1	0	1	1	0
7	0 1 0 0	0	1	1	1
8	1 1 0 0	1	0	0	0
9	1 1 0 1	1	0	0	1
10	1 1 1 1	1	0	1	0
11	1 1 1 0	1	0	1	1
12	1 0 1 0	1	1	0	0
13	1 0 1 1	1	1	0	1
14	1 0 0 1	1	1	1	0
15	1 0 0 0	1	1	1	1