Как работает энкодер мышки

6

Вскрытие энкодера колёсика мыши ⁠ ⁠

Стала глючить прокрутка в мыши, сначала пробовал подогнуть «лапки» корпуса, стало еще хуже.

Выпаял при помощи оплётки и сосновой канифоли.

Вскрывается путём отгибания «лапок» металлической части, вот так.

Внутри какое-то порошкообразное говнище, видимо это выработавшийся пластик. Корпус, ротор, пружина:

Вымыл при помощи зубной щетки с заостренными щетинками, в изопропаноле. Видно как щетки протерли колею в металле. Годы работы!

Впаиваем обратно, отмываем смолу.

Колесо отлично работает, но почему-то перестала работать кнопка левого клика 🙂

6.8K постов 39.9K подписчик

Правила сообщества

ЕСЛИ НЕ ХОТИТЕ, ЧТОБЫ ВАС ЗАМИНУСИЛИ НЕ ПУБЛИКУЙТЕ В ЭТОМ СООБЩЕСТВЕ ПРОСЬБЫ О ПОМОЩИ В РЕМОНТЕ, ДЛЯ ЭТОГО ЕСТЬ ВТОРОЕ СООБЩЕСТВО:

Посты с просьбами о помощи в ремонте создаются в дочернем сообществе: https://pikabu.ru/community/HelpRemont

К публикации допускаются только тематические статьи с тегом «Ремонт техники».

В сообществе строго запрещено и карается баном всего две вещи:

В остальном действуют базовые правила Пикабу.

Эти ебучие колёсики. Сколько я перебрал мышек, это ж охуеть можно. У всех одна и та же болезнь: через месяца три начинает тупить скролл. Это блять чё ваще такое? Как можно в эпоху бесконечного интернет-скроллинга ложить хуй на качество колёсика мыши? Да, я сам виноват, в какой-то степени: есть у меня привычка открывать ссылки в новой вкладке путём нажатия на колёсико. Так быстрее и удобнее, чем левая кнопка мыыыыши — открыть в новой вклааадке. Но колёсики от этой процедуры летят как перелётные птицы осенью. Но я нашёл. Нашёл мышь от logitech, которой похуй на эту процедуру. Третий год на ней, ей похуй вообще на всё. Чутка грубоватая точность, мышь дешманская, но эта неубиваемость, возведённая в абсолют, подкупает и завораживает. Спасибо айтишнику из диэнэс, насоветовал.

Кнопка мыши или клавиатуры стала "проглатывать" клики или делать двойные клики вместо одинарных? Это легко исправить⁠ ⁠

У моей мыши Logitech стал плохо работать левый клик:

— иногда при «перестаскивании» она самопроизвольно отпускала кнопку, хотя я продолжал ее удерживать;

— изредка клики не срабатывали;

— изредка происходил двойной клик вместо одинарного.

Зная о том, какая замечательная техподдержка Logitech — они под честное слово присылают замену сломавшемуся устройству, — написал им. Однако они не предложили мне замену, а стали настаивать на том, чтобы я переустановил драйвер, и всё такое. Мне не удалось убедить их, что проблема аппаратная.

Изучив вопрос в интернете, я выяснил, что причина проблемы — в банальном загрязнении контактов.

Кнопка мыши, микрик, устроена примерно так:

Красными точками я отметил место контакта. Если там осела пыль, жир или образовалась оксидная пленка, то будут происходить несрабатывания или двойные срабатывания.

Решение — спрей «очиститель контактов»:

Можно заказать по интернету, можно купить в ближайшем магазине автозапчастей.

Я купил дорогой Liqui Moly только потому, что он был в наличии рядом. На нем было написано, что он предназначен для автомобильных клемм. Думаю, что спрей за 150 рублей подойдет не хуже.

ВНИМАНИЕ! Обычная «вэдэшка» не подходит! Во всяком случае, я не стал рисковать. Подходит специальная WD-40 с надписью «очиститель контактов».

UPD: камрады mistergluck и Vartagont подсказывают, что проблема также решается каплей спирта. mrantibojan использует одеколон.

Разбираем мышку и находим микрики:

Для наилучшего результата можно снять корпус с микрика, как показано на фото выше.

Но мне удалось обойтись без этого. Я просто запшикал очистителем контактов в щель между кнопкой и корпусом микрика:

Я надавил носиком спрея на кнопку, чтобы создать щель, а в момент пшика отпустил нажим, чтобы контакты микрика разомкнулись.

Много лить не надо, достаточно короткого пшика.

После запшикивания сделал серию коротких кликов.

Готово. Контакты очистились, срабатывания кнопки снова стали надежными.

Способ также подходит для механических клавиш клавиатуры, а-ля Cherry MX.

UPD: Камрады creepy.copycat и AgentJC напоминают, что есть другая распространенная проблема, вызывающая несрабатывания клика. Пластик, который давит на кнопку микрика, с годами протирается, проминается, и кнопка прожимается не до конца. Выглядит это так:

Для решения проблемы можно попробовать сточить пластик надфилем:

Если повезет, этого будет достаточно для решения проблемы.

Однако при этом длина хода клавиши увеличится или даже совсем перестанет работать.

Чтобы вернуть всё в исходное состояние, нужно наклеить на поверхность кусочек металла или твердого пластика:

Первая шариковая мышь

Первая шариковая мышь была выпущена в 1968 году компанией Telefunken, которая нарекла своё детище RKS 100-86 “Rollkugel-Steuerung”. Это была, пожалуй, первая мышь, которая попала на коммерческий рынок, несколькими годами опередив компьютер Xerox Alto. В этой статье я покажу вам фотографии моей Rollkuleg, а также расскажу о её энкодерах, разводке контактов и собранном мной интерфейсе для подключения этого раритета к современному компьютеру.

Telefunken RKS 100-86

Первую мышь изобрёл сотрудник Стэнфордского исследовательского института (SRI) Дуглас Энгельбарт. В придуманном им манипуляторе использовались два заострённых колёсика, расположенные под углом 90 0 друг к другу и вращавшиеся при движении устройства по столу. Для сетевых компьютерных систем и пользовательского интерфейса это решение стало революционным. В 1967 году Энгельбарт подал заявку на регистрацию патента, а в декабре 1968 публично продемонстрировал завершённую систему в позднее ставшим знаковым выступлении «The Mother of All Demos».

Однако параллельно с разработкой SRI над устройствами для интерфейса пользователя работали и в компании Telefunken, находившейся в городе Констанц, Германия. В то время уже существовал трекбол, или шаровой указатель, который использовался в радарных рабочих станциях. Он представлял собой большой стационарный шар, который вращался от руки, будучи установленным в пульте управления.

Однако команда инженеров из Telefunken хотела создать устройство, которое можно было бы использовать в сочетании с компьютерными терминалами на обычном столе. Как сообщается в этом интервью, в 1966 году Райнер Маллебрейн предложил «развернуть» трекбол, чтобы он катался по поверхности стола, а его движения при этом отслеживались двумя фрикционными колёсиками. Так родилась шариковая мышь.

Rollkugel в действии. Печально, но я сохранил этот снимок много лет назад, прописав в имени файла лишь дату – 1969 год – без указания ссылки на источник. Если у кого-то есть возможность отследить и точно датировать снимок – отпишите, пожалуйста, в комментариях.

Патент Telefunken на своё изобретение регистрировать не стали, а саму мышь назвали “Rollkugel-Steuerung”, контроллер с шаровым указателем. Однако компания публично заявила об этом изобретении незадолго до выхода демонстрации Энгельбарта. Публикация вышла в корпоративном журнале, описывая в основном ЭЛТ-терминалы и лишь кратко упоминая новый вид манипулятора для последней на тот момент модели терминала Telefunken SIG 100-86 (Günter Neubauer, “Sichtgeräte in elektronischen Datenverarbeitungsanlagen”, Technische Mitteilungen AEG-Telefunken, 2 октября, 1968 год).

ДО сих пор точно не известно, когда новая мышь была впервые продана потребителю. Первую систему TR 440 установили в Дармштадте в 1968 году, но она могла ещё не включать опциональную Rollkugel. На сегодня в качестве первого подтверждённого случая коммерческого использования признаются четыре мыши, приобретённые вычислительным центром Лейбница в Мюнхене в 1972 году. Несмотря на несколько лет разницы, этот случай всё равно на год опережает систему Xerox Alto, подтверждая, что первой коммерчески доступной мышью стала именно Rollkugel.

Моя Rollkugel

Мой экземпляр был списан немецким университетом, когда они выводили из эксплуатации свой мейнфрейм Telefunken TR 440. Было это в 1981 году, если мне не изменяет память. Когда эта мышка попала в мои руки, я попытался подключить её к Apple II. Тогда мы ещё понятия не имели о «рабочих столах» с «Windows», но уже были знакомы с джойстиками и играми!;-). Как бы то ни было, но мои первые попытки воспользоваться этой уникальной мышкой провалились. Причиной тому стал износ контактов внутри электромеханических энкодеров.

В итоге почти три десятилетия моя Rollkugel просидела в ящике шкафа, и я не осознавал, что она может иметь историческую значимость, пока в 2009 году не наткнулся на статью Ральфа Бюлова. На фоне 40-й годовщины выхода демо Энгельбарта Ральф освежил в истории память об этой «немецкой мыши», и я был рад осознать, что являюсь обладателем одного из немногих сохранившихся экземпляров.

У Rollkugel не самый эргономичный дизайн. Она имеет полусферическую форму диаметром 12 см и одну кнопку, расположенную ровно в центре. Подобная конструкция не очень удобно лежит в руке, и работать ей тоже довольно неловко. Судя по надписям на корпусе при работе кабель должен быть направлен на оператора, хотя на некоторых современных снимках видно, что он направлен в обратную сторону.

Мой экземпляр достался мне без штекера, так что на фотографиях представлен уже не оригинальный.

RKS 100-86 ‘Rollkugel-Steuerung’ от Telefunken. Штекер установлен современный, но он полностью соответствует оригиналу.

Механическая часть такая же, как в шариковых мышках из 1980-х – в промышленном исполнении. Мелкие ролики, поддерживающие шар, работают на шарикоподшипниках.

Комплектующие

Энкодеры

Энкодеры изготовлены французской компанией MCB – „codeur à contacts“ type CC27E08. Похоже, что тогда они не являлись потребительским изделием, так как на них указаны серийные номера. У моих это 407 и 412.

Эти энкодеры генерируют 4-битный код Грея с 14 состояниями. Кроме того, каждый отдельный выход сохраняет своё значение как минимум в течение двух последующих состояний. Это позволяет увеличить постоянную времени для реализации антидребезга. При этом 1 обозначает закрытый контакт:

Эта последовательность при полном обороте энкодера повторяется пять раз. И поскольку диаметр его резинового О-кольца 13 мм, это даёт разрешение в 5*14 отсчётов / (π*13 мм) = 1.7 отсчётов/мм = 43.5 отсчётов/дюйм. Не особо впечатляет на фоне современных 400 dpi и выше…

Штекер

Как я уже говорил, мне Rollkugel досталась без штекера. Когда я собрался его восстановить, то решил, что подобрать надо нечто похожее. Проблем с образцом не возникло, так как в интернете достаточно фотографий таких мышей с оригинальными штекерами. В результате у меня получилась полностью идентичная альтернатива. Старые коннекторы “Kleintuchel”, изначально выпускавшиеся немецким производителем Tuchel как проприетарные мини-штекеры, были стандартизированы как DIN 45 321 и IEC 60130-9. Их все ещё производят Binder (581 серия), Lumberg (SV серия) и Amphenol Tuchel (T 3635). В Rollkugel используется 12-контактный штекер, и современные альтернативы оказываются полностью аналогичны как по механической части, так по резьбе и распиновке.

В своей первой попытке я использовал произвольное назначение выводов. Однако позже, благодаря Клеменсу Краузе из компьютерного музея Штутгартского университета, который замерил оригинальный штекер, я подключил всё как положено. К моему удобству цвета проводов у наших мышей оказались одинаковые.

Порядок выводов и их обозначение для 12-контактного штекера. Огромная благодарность Клеменсу Краузе из Штутгартского компьютерного музея за документирование оригинальной распиновки Rollkugel.

Но несмотря на то что мой аналог штекера технически полностью соответствует оригиналу, выглядит он не совсем так. Качество изготовления современных штекеров стало лучше, и форма получается более детализированной. В итоге я начал рыть eBay в поиске других источников оригинального штекера Kleintuchel и нашёл-таки несколько предложений. Ввиду активного спроса среди коллекционеров старого аудио оборудования штуковины эти стоят недёшево.

Поскольку 12-мм версию найти всё равно нигде не удавалось, я купил две 2-контактные альтернативы: не так часто используются в аудио, в связи с чем и спрос на них, видимо, ниже. И вуаля – внутренняя часть от современного 12-пинового штекера Amphenol/Tuchel идеально входит в старый кожух Tuchel! Новый вариант я ещё не установил, но вот он лежит готовенький – в ожидании подключения:

Два винтажных штекера Kleintuchel, использованных в Rollkugel, и современный Lumberg SV120. Внутренности лежащего в центре разъёма Kleintuchel я заменил на современные – осталось подключить его к мыши.

Адаптер USB

Я хотел подключить Rollkugel к современному ПК, поэтому мне понадобился USB-интерфейс. Из предыдущих тестов было ясно, что электромеханические контакты в энкодерах износились и вызывали много пропусков. Нужно было реализовать хорошую фильтрацию и проверку достоверности кода.

Я также хотел добавить функционал правой кнопки для удобства использования мышки под Windows. Решение я взял из One Finger Snap, старой утилиты Mac: не двигая мышь, недолго удерживать кнопку, затем отпустить – такое действие будет распознано как правый клик.

Самодельный интерфейс для подключения RKS 100-86 к современному компьютеру через USB.

Когда я собрал этот интерфейс в 2011 году, то ещё не знал о простых микроконтроллерах с USB и программным стеком HID – хотя они, вероятно, уже существовали. Поэтому для реализации USB-интерфейса я использовал внутренности шариковой USB-мыши. Я добавил простой микроконтроллер, который преобразует код и декодирует длительный клик по единственной кнопке мыши в сигнал нажатия правой клавиши.

Работу изношенных контактов энкодеров я наладил, установив на каждом входе микроконтроллера RC-фильтры, рассчитанные на постоянную времени 1мс (R = 22кОм, С = 10нФ; внутренняя подтяжка в микроконтроллере отключена (). Такая конфигурация позволит проходить валидным сигналам с энкодеров при движении мыши не быстрее 300мм/с (500шагов/с), но при этом отфильтрует более быстрые рывки. В добавок к этому ПО микроконтроллера ищет валидные фазовые переходы, которые соответствуют паттерну кода Грея, и подавляет невалидные состояния, даже если они длятся дольше 1мс.

Если вам интересно, то код микроконтроллера здесь.

Но сегодня для той же задачи превращения кода энкодера и реализации интерфейса USB HID я собираюсь использовать Arduino Pro Micro или аналогичную плату.

Микроконтроллер фильтрует передаваемый энкодерами код Грея и преобразует его в квадратурный код. Он также преобразует длительные нажатия кнопки в правый клик. Преобразованные сигналы передаются на позаимствованную из USB-мыши плату, которая переводит их в USB.

Простая схема платы микроконтроллера. У входа каждого энкодера также установлены пассивные RC-фильтры.

Ссылки и файлы

Мейнфрейм TR 440, а значит и RKS 100-86 Rollkugel, активно продавались в Германии. Так что оставшиеся представители вида Rollkugel в основном находятся именно там. Поэтому не удивительно, что большинство из приведённых ниже страниц будут на немецком.

Мелкий энкодер и восстановление старой мышки

Чаще всего пользователи в случае поломки мыши просто покупают новую, более современную модель. Но иногда бывает так, что привыкнешь к чему-то и менять на новое, пусть и современное, совсем не хочется. Так получилось и в моем случае.

Первой моей «мышкой» было не классическое хвостатое, а встроенное в ноутбук, точно такой как показан на этом фото (взято отсюда). Но практика показала, что пользоваться трекболом не очень удобно, он быстро загрязнялся и потому на столе у меня постоянно стоял пузырек спирта и кусочек ваты. Ну а первой именно мышью была также шариковая Митсуми, которая тоже забивалась, хотя и значительно меньше.

Какая была следующая, уже не вспомню, хотя в процессе я пробовал беспроводную мышь A4tech работающую по ИК каналу. 5ГГц? ха, 320ТГц 🙂
Мне эта мышь не очень понравилась, а следующей под руку попалась WOP-35, с которой я познакомился почти 20 лет назад и пользуюсь до сих пор.
Нет, пользуюсь не той, самой первой, а уже третьей, кстати было три поколения этой мыши, имеющих общее название модели WOP-35 (SWOP-35), но имеющих отличия:
Первая версия — подключение только через PS/2
Вторая версия — подключение через USB, но в комплекте был переходник USB-PS/2 (не путать с конвертером)
Третья версия — подключение только через USB.

Мышка действительно оказалась для меня просто мегаудобной, два ролика, пять кнопок, причем очень нравятся большие боковые.

Но в реальности отличий между ними было куда больше. Первая версия отлично работала у меня с Windows2000, а затем и с XP пока я не поставил первый сервис-пак, после чего курсор начал немного дрожать, а иногда самопроизвольно ползать по экрану, немного раздражало.
Через время попалась в магазине вторая версия, купил, подключил, курсор ползать перестал.
После установки второго сервис-пака история с дрожащим курсором повторилась. В 2009 году купил третью версию, поменял, после этого все работало отлично и именно этой мышью пользуюсь до сих пор, вот уже более 10 лет.

Кто-то скажет, что хорошего было в мыши, у которой дрожит курсор. Скажу честно, я на это особо не обращал внимание, так как в остальном удобство пользования перевесило этот недостаток.

А вот когда у меня спустя много лет забарахлил энкодер, то первой мыслью было взять его со старой, что я тогда и сделал. Прошло еще несколько лет, начал умирать и он, а я подумал, почему бы не использовать энкодер с той, самой первой, тем более уже и подключать её особо не к чему.
И здесь я сильно удивился, оказалось что у первой версии энкодер был оптический, а я просто об этом забыл. Вот так можно наблюдать, как работает удешевление и упрощение на практике, ведь оптический энкодер почти вечный.
Кроме того, за ступенчатое вращение здесь отвечает также не пружинка энкодера, а подпружиненные штифты и небольшая шестеренка на оси ролика.

У второй и третьей версии поставили уже самые обычные энекодеры, которые собственно и умирали.

На каком-то этапе я ограничился лишь чисткой энкодера и смазкой при помощи технического вазилина, это помогало, но постепенно начали стираться сами «усики» контактной группы и подумал что наверное уже проще заменить сами энкодеры.

Залез на алиэкспресс, нашел подходящий лот, в который входило 10 штук, заказал, получил. По счету все сходится, правда уже когда готовил обзор, то заметил, что у некоторых энкодером металл корпуса гладкий, а у других, матовый.

У продавца в продаже есть энкодеры высотой от 5 до 13мм, а также лот, где 5 размеров по 2 штуки каждого.

Высоту требуемого энкодера определить предельно просто, указанный размер это расстояние от центра отверстия до печатной платы, ну или до формованных выступов, упирающихся в плату. В моем случае требовались экнодеры высотой 7мм, собственно их я и получил.

Внешне ничего необычного, самые обычные мелкие энкодеры.

Внутри имеется смазка, потому можно надеяться что служить будут относительно долго, но в любом случае теперь у меня есть запас, главное не забыть куда положил 🙂

Дальше все предельно просто, выпаиваем старые энкодеры, но делаем это аккуратно, например у моих мышей плата из гетинакса и можно оторвать дорожки.

Попутно сравним родные с купленными.
Вверху родные, внизу новые. Справа родные в разобранном виде

Оказалось, что у старых мышей энкодеры были разного диаметра, слева новый, посередине и справа от второй и третьей версий (или от третьей и второй).

Аккуратно запаиваем новые энкодеры на место, следим чтобы они стояли ровно. Иногда шток вала ролика может немного люфтить, в этом случае внутрь отверстия можно засунуть обычную нитку, а потом вставить вал, люфт уйдет.

Вот собственно и все, проверяем работоспособность и скручиваем мышь.
Слева на фото клавиатура также A4tech, пришла на замену старенькой Logitech Ultra-X и спустя год эксплуатации могу сказать, что Ultra-X гораздо лучше, но купить её увы уже невозможно.

Выводы.
Энкодеры работают, по крайней мере та пара, которую установил. Субъективно, вращаются немного мягче, родные имели более четкое переключение положений. Иногда энкодер попадает на промежуточное положение, не скажу чтобы это раздражало, но я это замечаю.

Если коротко, то пока доволен, как будет дальше, покажет практика.

Уже заметно позже подумалось, а ведь я мог бы применить такой энкодер в своей паяльной станции вместо большого и громоздкого обычного, помнится тогда он мне этим и не понравился. Тем более в плане надежности «мышиный» был бы точно не менее надежен, единственный нюанс, пришлось бы делать отдельную кнопку, так как здесь просто энкодер.

На этом у меня на сегодня все, надеюсь что информация была полезной и поможет вам спасти своих старых «грызунов» 🙂

Энкодер: устройство и примеры работы

Нередко статьи у меня на блоге тесно связаны с промышленным оборудованием. На этот раз я подробно рассматриваю энкодер – очень важное устройство, без которого не обходится ни одна солидная производственная линия. А почему энкодер столь важен, будет понятно из моей статьи. Разберём подключение энкодера, его работу, устройство и монтаж. Как обычно в таких статьях, будут реальные примеры работы энкодеров в различных узлах оборудования. И, конечно же, будет много фотографий, сделанных мною лично.

Итак, для начала –

Что такое энкодер?

Энкодер – это электронный датчик, который механически крепится на какой-либо вращающейся детали. Обычно корпус энкодера остается неподвижным, а вращается только его вал. Это позволяет с необходимой точностью измерять разные параметры :

• скорость вращения,
• расстояние (длину),
• направление вращения,
• угловое положение по отношению к нулевой метке.

Энкодер является самым распространенным «измерительным инструментом» в современном промышленном оборудовании. Фактически энкодер является датчиком обратной связи, на выходе которого цифровой сигнал меняется в зависимости от его вращения или от угла его поворота. Этот сигнал обрабатывается в счетчике или контроллере, который выдает команды на устройство индикации или привод.

Этикетка инкрементного энкодера Sick, установленного на валу двигателя постоянного тока. Основной параметр – 1024 импульса на оборот

Энкодеру найдено множество применений, учитывая возможности последующей обработки его сигнала. Например – измерение погонной длины какого-либо материала, измерение угла открытия/закрытия задвижки, точное позиционирование деталей при перемещении и обработке. Конкретные примеры будут ниже.

Энкодеры, о которых идёт речь в статье, в некоторых источниках называются датчиками углового перемещения, датчиками угла поворота, и даже “N-кодером”.

А вообще энкодер – это любое устройство, которое преобразовывает или декодирует какой-то сигнал или информацию.

Принципы работы и устройство энкодеров

Существует два вида энкодеров по конструкции и виду выходного сигнала – инкрементальный (инкрементный) и абсолютный.

Инкрементальный энкодер устроен проще сравнению с абсолютным, и используется в большинстве случаев. Такой энкодер можно представить как диск с прорезями, который просвечивается оптическим датчиком. При вращении этого диска датчик будет активироваться или деактивироваться зависимости от своего положения над прорезью. В результате на выходе энкодера формируется последовательность дискретных импульсов, частота которых зависит от разрешения энкодера и его частоты вращения.

СамЭлектрик.ру в социальных сетях:

Подписывайтесь! Там тоже интересно!

Например, если энкодер закреплен на валу асинхронного двигателя, который вращается с частотой 1500 оборотов в минуту, то при разрешении энкодера 1000 импульсов на оборот частота выходных импульсов будет равна 25 кГц.

Разрешение и максимальная частота вращения обратнозависимы – на практике частота выходных импульсов не может исчисляться гигагерцами. Обычно выходная частота ограничена значением около 500 кГц. Да и не всякий контроллер “скушает” такую частоту. Делаем вывод: энкодер с разрешением 1000 имп/оборот (наиболее распространенный) не может крутиться с частотой выше 500 Гц или 30000 об/мин. Но такие скорости в механике я лично не встречал. Делаем второй вывод: высокое разрешение не всегда хорошо.

UPD 18 мая 2022: Вот, что написал по этому поводу читатель в группе ВК СамЭлектрик.ру: Если надо частоту меньше: энкодеры (не все) имеют выход нулевой точки Z – один короткий импульс на оборот. Если нужно разрешение больше – у энкодера два сигнала А и В, сдвинутых на четверть периода, по этому сдвигу определяется направление вращения. Многие ПЛК и некоторые приводы имеют квадратурные счетчики, позволяющие работать с обоими сигналами и даже по обоим фронтам, для тысячника это 2000 и 4000 отсчетов за оборот соответственно.

Пример, поясняющий работу энкодера:

Конструкция, поясняющая работу оптического энкодера

На фото – не энкодер, но данная конструкция в первом приближении прекрасно иллюстрирует работу и устройство инкрементального оптического энкодера. Про щелевой оптический датчик я писал в статье про оптические датчики, там подробнее.

Бич подобных конструкций – при механической поломке, связанной со смещением диска (или другого активатора), датчик легко ломается… В энкодере такого не может быть – там всё надёжно закреплено и защищено.

Основной минус инкрементального энкодера – необходимость непрерывной обработки его выходного сигнала. Кроме того, чтобы узнать положение инкрементального энкодера после подачи на него питания, необходимо провести инициализацию для поиска нуль-метки (что это такое – расскажу позже) либо для поиска нулевого положения механизма.

Абсолютный энкодер имеет более сложное устройство, но он позволяет определить угол поворота в любой момент времени, даже в неподвижном состоянии механизма сразу после включения питания. Говоря простыми словами, выходной сигнал у него – это параллельный код (например, 8-разрядный, имеющий 256 значений), который соответствует углу поворота. Соответствующую конфигурацию имеют и прорези в диске энкодера.

Абсолютные энкодеры работают в сложном оборудовании – там, где в любой момент времени (в том числе, в момент подачи питания) нужно знать точное положение объекта. Но сейчас, с появлением дешевых контроллеров с энергонезависимой памятью, в 99% используются инкрементальные энкодеры. Тем более учитывая, что их цена в несколько раз ниже, чем у абсолютных. Да и обрабатывать последовательные импульсы гораздо проще, чем параллельный код.

Использовать абсолютный энкодер для определения скорости вращения – всё равно, что использовать мощный настольный компьютер только для прослушивания музыки в ВК.

Бывают энкодеры не оптического принципа работы. Но я про них ничего рассказывать не буду, поскольку не имел с ними дела..

Подключение энкодера

Энкодер никогда не работает сам по себе. Он всегда подключается к устройству обработки сигналов, с помощью которого можно переварить и проанализировать импульсы на его выходах. Подключить энкодер легко – ведь это фактически датчик с транзисторными выходами. В простейшем случае, выход энкодера можно подключить ко входу счетчика, и запрограммировать его на измерение скорости или длины.

Но чаще всего выходные сигналы энкодера обрабатываются в контроллере. А далее путем расчетов можно получить информацию о скорости, направлении вращения, ускорении, положении объекта.

Энкодеры подключают не только к контроллеру. Он также может подключаться к преобразователю частоты, питающему электродвигатель. Таким образом , появляется возможность точного позиционирования, а также поддержания нужной скорости и момента вращения двигателя без использования контроллера. Это называется векторным управлением.

Сигналы и выходы инкрементального энкодера

Импульсы на выходе энкодера – один канал

Период Т – величина, обратная частоте, а про частоту мы говорили выше. Уровень “Н” – это напряжение, почти равное напряжению питания (обычно 5, 12, или 24 В). Уровень “L” – около нуля.

Само собой, реальные импульсы не столь идеальны – у них может гулять скважность и будут завалены фронты.

Что может рассказать нам такой энкодер? Только о скорости и погонных метрах. Например, его можно применять для определения частоты вращения двигателя, или длины материала после нажатия кнопки “Сброс”. Неплохо, но хочется большего!

Если будет два выхода, импульсы на которых (оптическим способом) сдвинуты на четверть периода, мы сможем узнать направление вращения:

Импульсы каналов А и В с фазовым сдвигом

Такие выходы со сдвигом фаз на четверть периода называются квадратурными каналами. Этот приём широко применяется в радиотехнике и электронике не только для определения направления вращения, но и для определения знака рассогласования частот (больше или меньше опорной частоты?).

Если сдвиг фаз положительный (фаза В отстает), можно условиться о прямом вращении. Если отрицательный (фаза В опережает фазу А на четверть), значит, вращение в обратном направлении. Два этих сигнала с одной частотой и фазой ±90° подаются на триггер, выход которого однозначно указывает о направлении вращения.

Ничего это не напоминает? В энкодере – двухфазная система, со сдвигом фаз 90°, в электрощите – трехфазная система, со сдвигом фаз 120°. Для смены направления вращения трехфазного двигателя достаточно поменять местами любые две фазы.

Со скоростью, расстоянием и направлением разобрались, а что делать, если нужно узнать угол поворота? Для этого вводится сигнал “Z” (Zero) – опорный импульс, который также называют нуль-меткой или референсной меткой:

Выходы энкодера А, В с нулевой меткой Z

Импульс “Z” имеет длительность Т (бывает и другая длительность – T/2, или 2Т) и проскакивает 1 раз за оборот вала энкодера. Иными словами, длительность нулевой метки может быть в тысячи раз короче периода вращения вала энкодера.

В современных датчиках каждая фаза (канал) обычно имеет ещё один, противофазный выход.

С теорией заканчиваем, плавно переходим к практике.

Монтаж энкодеров

По монтажу сразу скажу главное – вал энкодера по отношению к валу механизма должен быть надежно зафиксирован! Обычно это делается при помощи шестигранных винтов.

Бывали случаи, когда из-за проскальзывания самодельных и даже штатных муфт глючили производственные линии, и мы долго не могли найти причину – ведь всё остается исправным!

Монтироваться энкодер может и на валу двигателя, и на валу любого другого механизма – это не принципиально, и зависит лишь от конструкции и требований к точности выполнения поставленной задачи.

Вал энкодера никогда не будет соосным с вращающимся валом (вспомните, для чего нужен карданный вал). Поэтому используются специальные заводские переходные муфты, нужно надежно их крепить и периодически проверять качество монтажа.

Энкодер механически соединен с приводом через соединительную муфту для компенсации несоосности

Корпус любого энкодера всегда неподвижен. Вращается только его внутренняя подвижная часть.

Существуют энкодеры с полым валом, которые надеваются непосредственно на измеряемый вал и там фиксируются. Там даже нет такого понятия, как несоосность. Их гораздо проще монтировать, и они надежнее в эксплуатации. Чтобы энкодер при этом не прокручивался, используется лишь металлический поводок. На фото ниже показан энкодер с полым валом (обозначен В21.1), надетый на вал редуктора:

Энкодер с полым валом, надет на вал редуктора

Обратите внимание – корпус энкодера целиком и полностью держится на валу редуктора. От проворачивания его держит металлический поводок. При работе энкодер обычно немного покачивается по овальной траектории, это нормально, поскольку идеал существует только на картинках в даташитах и учебниках.

Бывают сквозные полые валы, когда ось механизма проходит через энкодер насквозь.

Подключение и работа энкодеров. Реальные примеры.

Ниже я рассмотрю несколько примеров использования энкодеров в реальном оборудовании.

Измерение скорости полотна

В данном примере, инкрементальный энкодер ELCO используется для измерения скорости бумажного полотна при производстве бумаги. Энкодер закреплен на бумаговедущем валу через муфту, скорость вращения которого однозначно говорит о скорости бумаги.

При помощи системы «энкодер+контроллер» можно вычислить мгновенную скорость, а также погонную длину произведенной продукции.

Энкодер работает на бумаговедущем валу

или другой ракурс:

Энкодер ELCO работает на бумаговедущем валу. Корпус энкодера закреплен жестко, стыковка валов – через компенсирующую муфту

Минус такой установки – при механической поломке вала (а это бывало уже не раз, изнашиваются подшипники) ломается либо муфта, либо сам энкодер.

Положение деталей на конвейере

В этом случае энкодер насажен на вал двигателя, подключенного через преобразователь частоты. Двигатель через редуктор передает движение на конвейер, по которому движутся заготовки деталей.

Положение детали на конвейере, позиционирование при помощи энкодера на двигателе

С помощью энкодера и оптических датчиков, фиксирующих просвет между образцами продукции, контроллер с большой точность может управлять обработкой деталей.

При этом направление знать не обязательно (оно всегда одно), и могут применяться энкодеры без ноль-метки:

Энкодер для определения только скорости вращения

По моему мнению, насаживание энкодера на вал двигателя – не очень хорошая идея в смысле того, что энкодер крутится на больших оборотах (до 3000 об/мин). Кроме повышенного механического износа, необходимо предусмотреть обработку сигналов со сравнительно высокой скоростью. Но сегодня, с развитием промышленной электроники, это не проблема.

Крепление энкодера на валу двигателя позволяет очень точно контролировать скорость привода. С появлением высокооборотистых энкодеров многие производители наладили выпуск двигателей со встроенным энкодером.

Если интересно применение ПЧ в конвейерах, вот моя статья на Дзене, где я подробно рассматриваю схему включения ПЧ для конвейера.

Ещё пример точного позиционирования при помощи энкодера для двигателя:

Энкодер – работа на валу двигателя со стороны крыльчатки

В этом случае двигатель приводит в действие цепную передачу лифта, подающего заготовку на обработку. Точность позиционирования лифта – порядка 1 мм, длина пути – более 2 м.

Перемещение детали

Ещё большую точность, чем в предыдущем случае, можно получить, если вал энкодера закрепить на ходовой винт с резьбой.

На фото сверху вниз – направляющая, ходовой винт, кабель к энкодеру

Если на ходовой винт закрепить гайку, которая механически скреплена с перемещаемой деталью (в реальном примере это – металлическая заготовка, которая рубится или гнётся по нужному размеру), то с помощью энкодера можно до долей миллиметра узнать её положение. Точность вычисления будет зависеть от шага резьбы и разрешающей способности энкодера.

Минус такого решения – при большой скорости возможен «промах», и нужно либо уменьшать скорость при приближении к цели, либо постоянно двигаться на низкой скорости. Кроме того, механика тоже должна быть точной, чтобы исключить любые люфты и перекосы.

Перемещение упора

Задача стоит в принципе такая же, как и в предыдущем случае. Но тут другой принцип перемещения – за счет зубчатой передачи:

Зубчатая передача перемещения каретки

Плюс данной реализации в том, что энкодер насажен непосредственно на зубчатое колесо, которое осуществляет передачу вращения. При большом разрешении энкодера и отсутствии механических люфтов можно добиться очень высокой точности позиционирования.

Использование энкодера совместно с винтовой и зубчатой передачей позволяет достичь высокой точности обработки деталей в станках с ЧПУ.

Вычисление точной координаты

В производстве полиграфической продукции иногда нужно нанести клей (или краску) в точное место. Когда печатная продукция (например, коробки или конверты) движутся по ленточному конвейеру, при помощи оптического датчика определяется начало коробки, затем контроллер при помощи энкодера вычисляет нужную координату, и включает подачу клея.

Вычисление точной координаты при помощи измерительного колеса

Формируется клеевая дорожка нужной длины, затем клей выключается. Далее коробка подается на фальцовочный узел, где складывается и склеивается. При этом скорость работы линии может достигать до 300 коробок в минуту.

Системы дозирования

Для точного открытия заслонки в системе дозирования жидкостей служит система, состоящая из двигателя с редуктором, на вал которого с одной стороны закреплена задвижка, с другой – энкодер.

Поворот на определенный угол при помощи энкодера

Поворот вала редуктора на угол не более 180° ограничен индуктивными датчиками приближения, а точное положение определяется по сигналу от энкодера. В исходном состоянии задвижка закрыта, и датчик минимального положения активен. Это состояние принимается за ноль. Далее включается двигатель, и вал поворачивается. Точный угол поворота пропорционален количеству импульсов от энкодера обратной связи. В данном случае энкодер не делает полный оборот, его движение ограничено датчиками.

Датчики активируются кулачками, которые закреплены (и могут корректироваться шаловливыми ручками)) на том же валу, что и энкодер.

При выключении питания положение энкодера (а значит, и задвижки) запоминается в памяти контроллера. В случае необходимости оператор может провести инициализацию (установку нулевого и максимального положения) за счет индуктивных датчиков. Опорная “Z” – метка при этом не используется.

Защита двигателя

Даже при перегрузке двигателя его скорость понижается, скольжение есть всегда, даже на холостом ходу. Но изменение тока при этом ничтожно. Особенно (например), если двигатель работает на застрявшую продукцию через редуктор.

Поэтому, очень удобно использовать энкодер, закрепленный на валу двигателя, для определения повышенного скольжения. А значит – перегрузки двигателя.

У меня на Дзене есть статья, как энкодер защищает двигатель от перегрузки, там тема раскрыта подробнее.

Вот фото оттуда:

Энкодер, механическая поломка из-за смещения двигателя

Энкодер перестал выдавать импульсы (перегрузки, правда, не было), и тут же контроллер выдал сообщение:

Сообщение на экране оператора о поломке энкодера

Запоминающие энкодеры

Энкодеры умнеют на глазах. В американской линии довелось иметь дело с серводвигателем, в состав которого входит энкодер с памятью.

Энкодер в составе серводвигателя с памятью

Энкодер не простой – у него в памяти зашиты параметры серводвигателя (их более сотни), которые он каждый раз при включении питания передает к центральный контроллер. Из-за заводского брака энкодер был плохо закреплён, и начал тереться о корпус двигателя, что привело к нарушению синфазности вращения двигателя и энкодера. Американцы дистанционно заново программировали этот энкодер, чтобы можно было запустить линию. Но это уже совсем другая история…

Резольвер

Совсем коротко о резольвере. По сути он выполняет те же функции, что и энкодер – может вычислять скорость и направление вращения двигателя. Но резольвер – аналоговый измерительный прибор. В некоторых случаях он гораздо точнее говорит об угле поворота, поскольку фактически речь идет о вычислении сдвига фаз на его выходах.

Реальный японский резольвер SMARTSYN TAMAGAWA SEIKI MODEL: TS2651N141E78, довелось когда-то ремонтировать:

Тахогенератор

Не путайте энкодер и тахогенератор (его иногда ошибочно называют тахометром)!

У них схожие функции и область применения, но у тахо от скорости вращения двигателя зависит не частота выходных импульсов, а выходное напряжение.

Посмотрите, какая конструкция установлена у нас на заводе на двигателе постоянного тока мощностью 200 кВт:

Энкодер + тахометр слиты в единое целое на валу двигателя

Тахогенераторы, как и двигатели постоянного тока, в современном оборудовании практически не используются.

Производители энкодеров

Среди российских производителей энкодеров мне известен лишь только Питерский СКБ ИС, который производит энкодеры марки ЛИР. К сожалению, российского промышленного оборудования сейчас почти не производится, и ЛИРы применяются лишь в военном и лабораторном оборудовании.

По этой причине я имею дело только с энкодерами зарубежного производства. Производителей энкодеров много – их производят почти все производители полупроводниковых датчиков. Чаще всего я встречаюсь с энкодерами Autonics – как и в случае с датчиками, в России представлен большой ассортимент. Другие известные мне производители энкодеров – немецкий Sick, японский Omron, и несколько китайских брендов.

Использование тех или иных марок энкодеров обусловлено часто не техническими причинами, поскольку их параметры, схемы подключения и надежность практически идентичны. Тут скорее политические мотивы – производители комплектующих любыми путями стараются, чтобы их продукция вошла в состав больших и массовых производственных линий, чтобы таким образом закрепиться на рынке.

Скачать

Статья, которую вы сейчас прочитали, недавно была в урезанном виде опубликована в бумажном журнале “Электротехнический рынок” под названием “Энкодер: мастхэв производственной линии”. Кому интересно, выкладываю для скачивания:

• Энкодер: мастхэв производственной линии / Статья в журнале «Электротехнический рынок» от СамЭлектрик.ру. Разновидности и примеры реального применения энкодеров. Приведены описания реальных узлов оборудования, в которых применяются энкодеры, pdf, 1.15 MB, скачан: 1364 раз./

Рекомендую скачать ещё одну интересную статью по энкодерам:

• Подключение инкрементного энкодера к ПЛК / Обобщены данные о типах выходного сигнала энкодера, способах его обработки, подсчёте измеряемой частоты вращения. Пример подключения и обработки сигналов энкодера в контроллере Siemens, pdf, 2.36 MB, скачан: 1470 раз./

Приглашаю коллег к обсуждению в комментариях, буду рад замечаниям и дополнениям к статье!