KÓD PRO INKREMENTÁLNÍ SNÍMAČE

Charakteristika

Kód pro inkrementální snímače je v podstatě Johnsonův kód eventuelně upravený Grayův kód, oba minimalizovány na dvě stopy. V tomto případě nelze generovat absolutní polohu ale pouze inkrementy (přírůstky) v závislosti na velikosti změny polohy.

Použití

Použití kódu je určeno pro snímače odměřování polohy, které generují inkrementy (přírůstky), respektive počet impulsů v závislosti na velikosti změny polohy. Tento typ snímačů poskytuje informaci o poloze pouze relativní, nikoliv absolutní. Inkrementální snímač musí být doplněn logikou, která generuje jednoduchý nebo čtyřnásobný počet impulsů inkrementů v závislosti na změně polohy. Impulsy je nutno dále zpracovat v čítači, který zaznamenává počet impulsů a poskytuje číselnou informaci o počtu impulsů od výchozí polohy. Poloha potom odpovídá násobku hodnoty čítače a velikosti inkrementu.

Výhody

• jednoduchá konstrukce odměřovacího kódu
• nízký počet signálových vodičů
• relativně nízká cena
• rozsah odměřované hodnoty je omezen pouze velikostí slova (word), na kterém je hodnota reprezentována

Nevýhody

• nutnost použití dalších modulů pro zpracování signálů (číselné zjištění hodnoty)
• po přerušení činnosti (např. výpadek napájení) je nutno provést referování (zjištění výchozí polohy)

Vyjádření kódu pro inkrementální snímače

Vyjádření dvou stop kódu (stejně jako u Johnsonova nebo Grayova kódu) vychází z podmínky, že při změně stavu (z aktuálního do následujícího stavu) je povolena (přípustná) změna stavu pouze v jedné stopě (bitu) kódového slova.

Na dvou stopách, při zachování výše uvedené podmínky, je možno vyjádřit celkem čtyři možné stavy. Pro znázornění využijeme model hyperkostky (redukované na 2D) pro čtyři možné stavy, viz obrázek 1. Jednotlivým vrcholům jsou přiřazeny konkrétní možné stavy a to tak, že sousední vrcholy se liší změnou hodnoty pouze na jedné pozici a protilehlé vrcholy jsou vzájemně komplementní. Pro správnou funkci platí, že pohyb z jednoho stavu do druhého je možný pouze po hranách kostky v jednom nebo druhém směru. Vpřed, ve směru hodinových ručiček, a nebo zpět, proti směru hodinových ručiček.

Obrázek 1
Hyperkostka pro dvěi stopy, taktéž Karnaughova mapa

Reálně je možno projít všechny vrcholy kostky tak, aby žádný z vrcholů nebyl navštíven dvakrát, což je další nutnou podmínkou. Této vlastnosti se říká, že je splněna Hamiltonovská kružnice (Hamiltonovský graf). V opačném případě by nastala nejednoznačnost kódu.

Inkrementální snímač

Pro technologické aplikace, kde vyhovuje relativní odměřování polohy pomocí inkrementů, je možno aplikovat inkrementální snímač s dvěmi kódovými stopami, viz obrázek 2a, kde každý snímač snímá stav jedné stopy. Obdobně jako u Johnsonova kódu je možno snímač konstrukčně upravit tak, že má pouze jednu stopu (snazší výroba) a signál dvou stop se vytváří vhodným rozmístěním snímačů, viz obrázek 2b.

Obrázek 2a, 2b
Jednoduchý rotační kotouč pro inkrementální snímač (2 stopy)

Na obrázku 3 (horní část) jsou zobrazeny dvě stopy pro lineární inkrementální snímač, které je možno upravit do jedné stopy (obrázek 3 dolní část). Z obrázků je patrné to, že jak se mění poloha kotouče nebo pravítka, mění se i stav signálů stop, a to v závislosti na směru pohybu kódového kotouče nebo pravítka. Z toho, který signál předchází druhý, je možno určit směr pohybu. Výsledný průběh signálů potom odpovídá stavu jednotlivých stop, viz obrázek 4.

Obrázek 4
Průběh signálů A, B inkrementálního snímače v jednom a druhém směru pohybu.

Fázové posunutí o 90°

U inkrementálních snímačů se často uvádí, že se jedná o snímač s fázovým posunutím signálů o 90°. Toto označení vychází z toho, že cyklus střídání signálů obou stop se periodicky opakuje, což je jeden cyklus kódu, tedy 360° (nezaměňovat s otáčkou kotouče). V tomto cyklu kódu se pravidelně střídají signály A a B, které dělí cyklus na čtyři úhlově stejné části, které jsou na obrázcích označeny stavy 0, 1, 2 a 3, což je právě 90° a signály na stopách A a B se vzájemně (a správně) mění právě v tomto úhlu.

Zpracování signálů inkrementálního snímače

Signály z inkrementálního snímače nelze použít přímo pro zjištění polohy ale je nutno provést jejich úpravu pro čítač inkrementů a následné zpracování viz obrázek 5.

Obrázek 5
Zpracování signálů z inkrementální snímače

Jednoduché vyhodnocení (single)

Jednoduché vyhodnocení (obrázek 4, 1x) pracuje s celým cyklem kódu, kdy vyhodnocovací elektronika sleduje průběh signálů A a B a s náběžnou hranou signálu A (stopy) generuje impuls. Pro kladný směr otáčení generuje impuls na výstupu Up nebo generuje impuls na výstupu Dn pro opačný směr otáčení a to v závislosti na stavu signálu (stopy) B. V obou případech směru otáčení je impuls generován právě jednou za cyklus kódu 360°.

Dvojnásobné vyhodnocení (double)

Dvojnásobné vyhodnocení (obrázek 4, 2x) pracuje s každou změnou signálu A (stopy). V cyklu kódu 360° jsou generovány dvě změny stavu stopy A a tedy i dva impulsy. Pro kladný směr otáčení generuje impuls na výstupu Up nebo generuje impuls na výstupu Dn pro opačný směr otáčení a to v závislosti na stavu signálu (stopy) B. V obou případech směru otáčení je impuls generován právě dvakrát za cyklus kódu 360°.

Čtyřnásobné vyhodnocení (quadruple)

Čtyřnásobné vyhodnocení (obrázek 4, 4x) pracuje s každou změnou stavu signálu na stopě A i B. V cyklu kódu 360° jsou detekovány právě čtyři změny stavu stopy A a B po 90° kódu snímače. S každou změnou stavu na stopě A nebo B je generován impuls na výstupu Up pro kladný směr otáčení nebo na výstupu Dn pro opačný směr otáčení a to v závislosti na na stavu druhého signálu.V obou případech směru otáčení je impuls generován právě čtyřikrát za cyklus kódu 360°.

Zpracování impulsů inkrementu

Jednoduché dvojnásobné nebo čtyřnásobné vyhodnocení se zpravidla provádí mimo elektroniku snímače. Při nízké frekvenci změn stavů na stopách A a B může být vyhodnocení přímo realizováno programem v PLC, avšak výrobci komponent PLC standardně nabízejí HW moduly, které jsou schopny stopy inkrementálního snímače vyhodnocovat a převádět na impulsy (1x/2x/4x) a tyto zpracovávat i na vyšších frekvencích v čítači. Moduly taktéž poskytují další potřebné funkce.

Pro zpracování již modulovaných impulsů inkrementu (1x/2x/4x) postačí čítač, který dovoluje čítání vpřed i vzad. Na čítací vstupy čítače se přivádí signály Up / Dn z inkrementálního snímače, které jsou jím zaznamenány (čítány). Hodnota čítače potom udává, kolik inkrementů, přírůstků, bylo zaznamenáno, což je velikost změny polohy od výchozího stavu. Jedná se tedy o relativní odměřování polohy od předem známého bodu. Z toho vyplývá, že před zahájením odměřování, musí být pohyblivý člen ustaven do známé polohy s pevně zadanou souřadnicí (referování / synchronizace).

Maximální počet zaznamenaných změn, a tím i relativní vzdálenost, nezávisí pouze na dělení inkrementálního snímače (počtu impulsů na otáčku), ale i na hodnotě, kterou je možno v čítači zpracovat (Integer, Double Integer, Long Integer).

Zabezpečení a kontrola

Ačkoliv se používá kód, který je sám o sobě bezpečný pro zjištění změny polohy, je nutno uvažovat i o možnosti selhání dalších komponent.

Může se jednat o následující závady:

• selhání snímačů stop(y)
• selhání stopy jako takové
• přerušení jednoho nebo více vodičů
• vynechání jednoho nebo více cyklů kódu

Za účelem detekce těchto závad (nikoliv k jejich eliminaci) se používá složitější konstrukce inkrementálního snímače.

Nulová značka

Nulová značka s označením N nebo Z, viz obrázek 6a, b je doplněna do další (vnější) stopy snímače tak, aby k její aktivaci docházelo právě jednou za otáčku snímače. Kontrola potom probíhá tak, že při průchodu snímače touto nulovou značkou je zkontrolován počet přijatých impulsů od posledního průchodu touto značkou v jednom směru pohybu.

Počet impulsů na otáčku snímače musí odpovídat výrobnímu parametru snímače, pokud je počet zaznamenaných impulsů v jednom směru a při dokončení otáčky snímače menší než výrobní parametr, znamená to, že některá nebo obě stopy nepracují správně. Pokud je zaznamenán počet impulsů větší než je parametr snímače, znamená to, že nepracuje správně stopa nulové značky.

Výše uvedená kontrola jedenkrát za otáčku ale nefunguje u lineárních snímačů, protože by k průchodu nulovou značkou docházelo pouze v jednom bodě dráhy. Používá se tedy řešení, kdy je pravidelně, po zvolené vzdálenosti odpovídající konkrétnímu počtu impulsů, opakovaně vložena nulová značka, jednou za periodu, viz obrázek 7.

Obrázek 7
Pravítko kódem pro inkrementální snímač (2 stopy)

Vyhodnocení a kontrola je potom shodná jako u rotačního provedení.

Párování signálů

Výše uvedená metoda použití nulové značky však není absolutně jednoznačná, protože může dojít i k závadě mimo snímač, konkrétně v přenosu signálů jako je přerušení nebo zkrat vodiče. Tyto stavy je možno následně detekovat tehdy, je-li ke každému signálu stopy (A, B, N) doplněn signál obráceného stavu (negovaný), viz obrázek 8.

Obrázek 8
Průběh párovaných signálů A, B, N inkrementálního snímače (včetně změny směru).

Porovnáním stavu párovaných signálů je možno vyhodnotit stav přenosu signálů jednotlivých stop.

Příklad

Obrázek 9 ukazuje příklad jednoduchého dělícího kotouče pro optické snímání, který se používá (používal) u polohovacích zařízení s mechanickým přenosem pohybu a s malým nárokem na přesnost, konkrétně počítačová myš.

Obrázek 9
Dělící kotouč počítačové myši

Optické prosvětlování, viz obrázek 10, nemusí být realizováno přesně tak, jak je naznačeno body na obrázku 2b, ale místa prosvětlování mohou ležet různě po obvodu stopy. Podmínkou je pouze to, že úhlová rozteč musí odpovídat násobku cyklu kódu tak, aby bylo zachováno fázové posunutí..

Obrázek 10
Prosvětlování kotouče počítačové myši