Використання кодів Ґрея в абсолютних енкодерах

Лабораторна робота 1

Сенсори кута повороту пройшли великий шлях удосконалення. За багато століть розвитку техніки створено немало різних методів і пристроїв. Спочатку це були виключно механічні пристрої. У них за допомогою механічних передач кут повороту чи кількість виконаних оборотів перетворювались і відображались у вигляді переміщення стрілки вздовж шкали з градусними поділками чи у вигляді числа, сформованого у прозорому віконці системою коліщат, на ободі яких нанесені цифри.

У середині ХХ століття більш популярними стали магнітні і електричні сенсори кута повороту чи кількості оборотів. Принцип роботи деяких з них (електричних, магнітних) описується пізніше. Сьогодні для вимірювання кутів повороту і кількості оборотів частіше стали використовувати оптоелектронні енкодери. За принципом дії прийнято розрізняти так звані «абсолютні» і «інкрементні» енкодери.

Абсолютні енкодери видають на свій вихід цифрові коди, які відповідають абсолютному значенню кута повороту відносно положення, прийнятого за нуль. Принцип дії абсолютного енкодера, розрахованого на один оборот, пояснюється на рис.1.1. На вал, закріплений на двох прецизійних підшипниках і кінематично з’єднаний із вузлом, обертання якого контролюється, насаджено кодовий диск. На останньому виділені n кільцевих доріжок з прозорими і непрозорими ділянками. Навпроти доріжок з одного боку диска встановлені світлодіоди з циліндричною лінзою, а з другого боку – лінійка фотодетекторів, по одному на кожну доріжку. Прозора і непрозора ділянки на доріжках підібрані так, щоб кожному кутовому положенню кодового диску відповідав свій унікальний двійковий код на виходах лінійки фотодетекторів.

Один із можливих варіантів кодування диску показано на рис.1.1 справа. Сфокусоване циліндричною лінзою в радіальну риску світло від світлодіодів проектується на кодовий диск. Світло вільно проходить крізь прозорі ділянки доріжок і, потрапивши на відповідні фотодетектори, викликає появу сигналу «1» на виходах відповідних підсилювачів. Крізь непрозорі ділянки доріжок світло не проходить, і на виходах відповідних підсилювачів формуються сигнали «0».

Рис. 1.1. Конструкція і принцип дії абсолютного енкодера

Загальна кількість можливих n-розрядних двійкових кодів складає 2ⁿ. Тому точність визначення кутового положення диску рівна (360°: 2ⁿ⁺¹). У випадку використання 10 кільцевих доріжок і 10 фотодетекторів у лінійці точність визначення кута складає 0, 4°, а при використанні 20 доріжок і 20 фотодетекторів – вже 0, 0004°. При сучасному стані технології мікроелектроніки це виявляється зовсім недорого. І тому такі енкодери стали досить популярними. Їх широко застосовують в антенних системах, в астрономії для визначення небесних координат зірок, в геодезичних приладах, у системах кругового спостереження і т.д.

Тем не менше, є багато практичних задач, коли крім знання кутового положення в межах одного обороту потрібно реєструвати також кількість повних оборотів і їх напрям. Тобто потрібно визначати кути не в межах від 0° до 360°, а в межах від до . Для цього сьогодні використовують багатооборотні енкодери, принцип дії яких показано на рис.1.2. За допомогою зубчастих чи інших механічних редукторів кут повороту зменшується у потрібну кількість разів, і кодові диски додаткових ступенів відраховують кількість оборотів у потрібних користувачам межах.

В абсолютних енкодерах інформація про кутове положення валу зберігається навіть при вимиканні живлення, оскільки фіксується фізично положенням кодових дисків. При використанні для кодування положення валу звичайного двійкового коду перехід до сусіднього положення може послугувати причиною зміни декількох біт одночасно. Наприклад, при переході від 0111 до 1000 одночасно змінюються 4 біта. Тому поблизу позиції переходу через деяку несинхронність зміни розрядів можуть короткочасно видаватись невірні коди.

Рис. 1.2. Принцип дії багатооборотного абсолютного енкодера

Позбавитися від цього дозволяє кодування відомим кодом Ґрея. У таблиці 3.1 наведені коди Ґрея для натуральних чисел від 0 до 15. Біти, які змінюються при переході від попереднього натурального числа, в таблиці 1.1 виділені. Легко побачити, що на кожному кроці змінюється лише один біт. Для порівняння в правому стовпці показані звичайні двійкові коди, які такої властивості не мають.

Таблиця 1.1. Коди Ґрея і звичайні двійкові коди для натуральних чисел від 0 до 15

Примітка: Молодший розряд у послідовності чисел в коді Ґрея приймає значення 0 і 1, далі наступний старший розряд стає одиничним і молодший розряд приймає свої значення вже у зворотному порядку (1, 0). Цим і пояснюється назва коду – «віддзеркалений». Відповідно, два молодших розряди приймають значення 00, 01, 11, 10, а далі, при одиничному наступному старшому розряді, ті ж значення у зворотному порядку (10, 11, 01, 00).