декодер и энкодер что это
🤖 Вариационные автоэнкодеры (VAE) для чайников – пошаговое руководство
Ilya Ginsburg
Эта статья познакомит вас со всем необходимым для начала работы с генеративными моделями. Мы предоставим пошаговое руководство по обучению условных VAE на наборах данных с большими изображениями и их применению для генерации новых размеченных изображений.
Мотивация
Зачем нужно генерировать новые данные, если в мире и так огромное количество данных? Согласно IDC, в мире более 18 зеттабайтов данных.
Как сгенерировать изображения, которых никто не видел?
Прочитав эту статью, вы узнаете, что такое Вариационный Автоэнкодер, и как создать ваш собственный для генерации новых изображений, которые никто никогда не видел. Мы объясним идеи и концепции, лежащие в его основе, без какой-либо математики.
Пример изображения и его реконструкции с помощью нашего кода VAE
Данные
Мы используем подмножество широко известного набора данных Знаменитостей, который поможет нам создать модель генерации лиц. Этот набор можно скачать с сайта CelebFacesA. Он предоставляет большой набор атрибутов лиц, содержащий более 200 тысяч изображений знаменитостей, для каждого из которых указано значение 40 атрибутов.
Ниже мы выбираем случайные лица и выводим их метаданные (атрибуты). Изображения имеют высоту 218 пикселей, ширину 178 пикселей и 3 цветовых канала.
Что такое автоэнкодер (AE)?
Просмотрев лица тысяч знаменитостей, нейронная сеть может научиться генерировать лица людей, которых не существует.
Иногда этих меток у нас нет. Тем не менее, мы можем обучить две нейронные сети – одна будет усваивать представление, а вторая – восстанавливать исходное изображение из этого представления, минимизируя функцию потерь реконструкции. Это автоэнкодер (автокодировщик). Он так называется потому, что автоматически находит лучший способ закодировать данные так, чтобы декодированная версия была как можно ближе к исходной.
Автоэнкодер состоит из двух соединенных нейронных сетей: модели энкодера (кодировщика) и модели декодера (декодировщика). Его цель – нахождение метода кодирования лиц знаменитостей в сжатую форму (скрытое пространство) таким образом, чтобы восстановленная версия была как можно ближе к входной.
Таким образом, энкодер обучается сохранять как можно больше полезной информации в скрытом пространстве и разумно отбрасывать неважную информацию – например, шум. Декодер обучается превращать сжатую информацию в скрытом пространстве в целое лицо знаменитости.
Автоэнкодеры также могут быть полезными для сокращения размерности и удаления шумов, и могут очень успешно проводить машинный перевод без учителя.
Что такое вариационный автоэнкодер (VAE)?
Как правило, скрытое пространство Z, создаваемое энкодером, редко заселено, то есть трудно предсказать, распределение значений в этом пространстве. Значения разбросаны, и пространство обычно хорошо визуализируется в двухмерном представлении.
Это очень полезная особенность для систем сжатия (компрессии). Однако для генерации новых изображений знаменитостей эта разреженность – проблема, поскольку найти скрытое значение, для которого декодер будет знать, как произвести нормальное изображение, почти невозможно.
Более того, если в пространстве есть промежутки между кластерами, и декодер получит вариацию из такого промежутка, ему не хватит знаний, чтобы сгенерировать что-нибудь полезное.
Вариационный автоэнкодер делает внутреннее пространство более предсказуемым, более непрерывным и менее разреженным. Заставляя скрытые переменные соответствовать нормальному распределению, VAE получают контроль над скрытым пространством.
Переход от AE к VAE, используя случайные переменные
Вместо прямой передачи скрытых значений декодеру, VAE используют их для расчета средних значений и стандартных отклонений. Затем вход декодера собирается из соответствующего нормального распределения.
В процессе обучения VAE заставляет это нормальное распределение быть как можно более близким к стандартному нормальному распределению, включая в функцию потерь расстояние Кульбака-Лейблера. VAE будет изменять, или исследовать вариации на гранях, и не случайным образом, а в определенном, желаемом направлении.
Условные вариационные автоэнкодеры позволяют моделировать вход на основе не только скрытой переменной z, но и дополнительной информации вроде метаданных изображения (улыбка, очки, цвет кожи и т.п.)
Генератор данных изображений
Давайте создадим (условный) VAE, который сможет обучаться на лицах знаменитостей. Мы используем пользовательский эффективный по памяти генератор Keras, чтобы справиться с нашим большим набором данных (202599 изображений, примерно по 10Кб каждое). Его цель – получать пакеты изображений на лету в процессе обучения.
Нейронная сеть VAE
Мы хотим, чтобы наш энкодер был сверточной нейронной сетью, принимающей изображение и выдающей параметры распределения Q(z | [x,c]), где x – входное изображение лица, c – условная переменная (атрибуты лица), а z – скрытая переменная. В этой статье мы используем простую архитектуру, состоящую из двух сверточных слоев и слоя группировки (pooling).
Декодер – это сверточная нейронная сеть, построенная по-другому. Это генеративная нейронная сеть, выдающая параметры распределения похожести P([x,z] | c).
Вот так выглядит архитектура всей сети VAE:
Обучение
Ниже представлен процесс обучения моделей VAE на наборе данных celebA. Этот код выполнялся около 8 часов на инстансе AWS с использованием 1 GPU.
Визуализируем скрытые представления
После обучения мы можем выбрать случайное изображение из нашего набора данных и использовать обученный энкодер для создания скрытого представления изображения.
Используя это скрытое представление, вектор из 16 действительных чисел, мы можем визуализировать, как декодер восстановил исходное изображение.
Хотя реконструированное изображение и размыто, мы можем заметить, что оно очень похоже на исходное изображение: пол, цвет одежды, волосы, улыбка, цвет кожи.
Генерируем новые лица
Условные VAE могут изменять скрытое пространство, чтобы генерировать новые данные. А это значит, что мы можем сгенерировать случайное количество новых изображений с помощью декодера, определяя разные значения заданных атрибутов.
Хотя наш вариационный автоэнкодер выдает размытые изображения, не похожие на реалистичные фотографии, мы можем распознать на этих изображениях пол, цвет кожи, улыбку, очки и цвет волос людей, которые никогда не существовали.
От улыбки станет мир светлей
Условные VAE могут проводить интерполяцию между атрибутами, то есть они способны заставить лицо улыбаться или добавить очки, если их не было прежде. Сейчас мы выберем лицо случайной знаменитости из нашего набора данных и воспользуемся преимуществом изменений скрытого представления, чтобы превратить женское лицо в мужское. Мы также изменим лица, добавив на них улыбку, которой прежде там не было.
Заключение
В этой статье мы представили условные вариационные автоэнкодеры и продемонстрировали, как их можно обучить генерации новых размеченных данных. Мы предоставили код на Python для обучения VAE на больших наборах данных изображений знаменитостей. Этот подход и код можно использовать и для многих других задач.
Генеративные состязательные сети (GAN), как правило, выдают изображения, которые выглядят еще лучше, поскольку они обучаются распознавать, что люди считают фотореалистичным, а что нет.
Этический аспект использования технологий VAE/GAN для создания фейковых изображений, видео и новостей следует рассматривать серьезно, и они должны применяться ответственно.
Огромное спасибо Винсенту Кассеру (Vincent Casser) за его замечательный код, содержащий более продвинутый подход к реализации сверточных автоэнкодеров для обработки изображений, приведенный в его блоге. Винсент разрешил мне адаптировать его код VAE для этой статьи. Создание работающего VAE с нуля довольно сложно, так что за код следует благодарить Винсента.
Сравнение различных типов энкодеров
Энкодеры широко используются в промышленности для управления движением, контроля положения и скорости электродвигателей. Полученная информация может использоваться электроникой управления движением для определения скорости вращения электродвигателя и рабочего органа, их местоположения, а также для выполнения корректировок в случае отклонения от заданных параметров.
Вот сравнение шести наиболее часто используемых типов энкодеров.
Оптические энкодеры
Оптические энкодеры используют наличие или отсутствие света для определения положения вала. Говоря простым языком — есть диск с прорезями в нем, который вращается вместе с валом. Когда диск проходит между источником света и фотоэлектрическим датчиком, отверстия регулярно пропускают свет к датчику или блокируют свет. Самые точные оптические энкодеры используют диски из стекла с черными линиями, чтобы блокировать свет, созданный точными методами фотолитографии. В датчиках положения с низким разрешением используются металлические диски со штампованными или протравленными отверстиями.
Стандартные оптические энкодеры имеют два или более фотодатчиков, смещенных на шаг 1/2 слота, что увеличивает разрешение с помощью технологии, называемой «квадратурное декодирование», которая встроена в большинство микроконтроллеров. Квадратура также позволяет устройству определять направление вращения вала. Квадратурное декодирование не добавляет задержки и обычно включает цифровой фильтр от электрических помех.
Разрешение энкодера обычно указывается изготовителем в строках на оборот или в ppr (импульсов на оборот). Это разрешение необработанных сигналов A и B, которые подаются в квадратурный декодер для определения количества импульсов / оборотов, а количество импульсов / оборотов такое же, как 4X линий / оборот.
Оптические энкодеры обычно имеют разрешение от 128 до 20000 импульсов / оборот. Некоторые улучшенные модели имеют более высокое разрешение. Средняя точность составляет ± 0,1 градуса.
Когда энкодеры любого типа используются в качестве устройств обратной связи в электроприводах на основе шагового двигателя, разрешение является важным, поскольку большое число полюсов шагового двигателя приводит к короткому электрическому циклу. Например, шаговый двигатель на 1,8 град. имеет 50 электрических циклов на один механический оборот, а разница между полным крутящим моментом и отсутствием крутящего момента составляет 1,8 градуса. 4 000 импульсов / оборот обеспечивает 20 дискретных отсчетов свыше 1,8 град., которого достаточно, чтобы сделать возможным обнаружение сваливания, предотвращение сваливания и поддержания текущего положения. Для сервопривода в режиме реального времени 20 000 импульсов на оборот — гораздо лучший выбор.
При применении к трехфазным бесколлекторным (бесщеточным) двигателям датчики часто включают в себя три дополнительных коммутационных сигнала (названных U, V и W), которые сообщают драйверу, когда следует переключать ток в обмотках статора.
Оптические энкодеры выдают мгновенный сигнал без задержки, поэтому вал электрической машины реально находится там, где сигнализирует датчик положения. Время задержки важно при использовании датчика для измерения скорости и для сервоуправления в реальном времени.
Магнитные энкодеры
Магнитные энкодеры стоят намного дешевле оптических и более компактны. Большинство из них используют аналоговые устройства на основе эффекта Холла, установленные на печатной плате. Датчики Холла приводятся в действие двухполюсным магнитом, установленным на конце вала. Датчики Холла выдают два сигнала переменного тока в противофазе с одним циклом на оборот вала. Эти сигналы интерполируются для создания 65 536 отсчетов на оборот. Однако эта интерполяция подвержена множеству ошибок, таких как электрические шумы в схемах, несовершенное намагничивание, биение вала, а также радиальное и осевое смещение магнита. Большинство магнитных энкодеров включают различные способы калибровки для компенсации как можно большего количества ошибок.
Поскольку магнитные энкодеры имеют один цикл на оборот вала, они, по сути, измеряют абсолютное положение в пределах одного оборота вала.
Магнитным энкодерам всегда нужно время для интерполяции сигналов. Ранние магнитные энкодеры имели переменную (недетерминированную) задержку преобразования, что делало их непригодными для отслеживания скорости и положения в реальном времени на машинах с большим числом полюсов, таких как шаговые двигатели. Новые, более современные модели, имеют предсказуемые задержки преобразования. Зная это, центральный процессор может автоматически корректировать показания положения и скорости для компенсации задержки.
Сравнение оптических и магнитных энкодеров
Первый энкодер — это широко используемая ранняя 12-битная модель, которая зарекомендовала себя как надежная, недорогая и достаточно точная. Он включает квадратурный интерфейс ABZ, обеспечивающий 4096 импульсов на оборот, что упрощает работу с модулями интерфейса квадратурного энкодера (QEI), которые используются в микроконтроллерах и процессорах цифровых сигналов.
12-битный энкодер был сочтен неподходящим для некоторых приложений, потому что его низкое разрешение не дает достаточно информации для правильного регулирования скорости на низких скоростях.
Второй — 16-битный магнитный энкодер, использующий датчики Холла. Разрешение намного выше, чем у 12-битной модели (65 536 импульсов на оборот против 4096), но ее точность заметно хуже. Это связано с несколькими факторами. Во-первых, методика калибровки производителя не дает достаточно малой погрешности. Во-вторых, его интерполяция сигналов эффекта Холла по своей природе неточна. И в-третьих, отношение сигнал / шум заставляет счетчик изменяться по крайней мере на два бита, даже когда он не движется, что может создавать дизеринг и производный шум в сервоконтуре. При оценке такого типа датчика важно учитывать разрешение и точность. Никогда не основывайтесь на гипотезе — чем выше разрешение, тем выше точность.
В третьем магнитном энкодере используется магниторезистивная технология, которая по своей природе более точна и менее чувствительна к внешним воздействиям, чем модели с эффектом Холла. Внешние магнитные поля, в том числе поля самого двигателя, могут влиять на работу магнитных энкодеров.
Данный тип датчика предлагает выбор интерфейса ABZ или SPI (высокоскоростной синхронный последовательный). Интерфейс SPI является обычным для DSP и микроконтроллеров и предпочтительнее ABZ. Но использование SPI предотвращает отправку квадратурного сигнала ABZ на другое устройство (например, контроллер движения), поскольку два интерфейса используют одни и те же выводы интегральной микросхемы.
Емкостные энкодеры
Емкостные энкодеры измеряют положение, отслеживая изменение емкости в цепи при вращении вала двигателя. Они невосприимчивы к внешним магнитным полям, а также к пыли и мусору. Емкостные энкодеры имеют разрешение до 16 384 импульсов / оборот (14 бит) и точность ±0,2 градуса.
Емкостные энкодеры выдают стандартный квадратурный сигнал AB, подходящий для использования в реальном времени с большинством микроконтроллеров и большинством стандартных драйверов, которые включают опцию обратной связи энкодера.
Емкостные энкодеры более устойчивы к электромагнитным помехам, чем магнитные энкодеры, и допускают большее загрязнение, чем оптические.
Многооборотные энкодеры
Многооборотные энкодеры полезны для отслеживания положения вала при выключенном контроллере или электроприводе. Например, если предприятие или технические специалисты не хотят возвращать систему в исходное состояние при каждом включении, необходимы абсолютные многооборотные энкодеры. (Если необходимо отслеживать положение только при включенном драйвере, драйвер отслеживает положение, и абсолютный многооборотный энкодер не нужен.)
Есть три распространенных типа:
Многооборотные энкодеры с питанием от батареи используют батарею, чтобы поддерживать в рабочем состоянии необходимые электрические схемы во время отключения питания для отслеживания положение энкодера через несколько оборотов. Обратной стороной является то, что информация о местоположении будет потеряна, когда батарея разрядится. Резервный аккумулятор может значительно увеличить габариты датчика положения.
Энкодеры с редуктором используют вторичный энкодер, который перемещается на один или несколько отсчетов каждый раз, когда первичный энкодер совершает один оборот. Энкодеры с редуктором не требуют батареи, но являются сложными и дорогостоящими, а шестерни могут со временем изнашиваться.
Энкодеры с накоплением энергии Wiegand используют эффект Виганда, чтобы генерировать электрический импульс каждый раз, когда датчик завершает оборот. Эта энергия постоянна независимо от того, насколько медленно вал вращается, когда он проходит магнитный переход, поэтому этот импульс можно надежно использовать для питания небольшой цепи и подсчета оборотов.
В датчиках положения на основе эффекта Виганда используется первичный магнитный энкодер, обеспечивающий 131072 отсчета на оборот (также называемый 17-битным, потому что 217 = 131 072). Счетчик оборотов — 16 бит, поэтому он может отслеживать 216 = 65 536 оборотов вала. Точность ± 0,1 град.
Интерфейс для энкодеров Weigand часто BISS-C. Некоторые микроконтроллеры имеют собственный интерфейс BISS-C, поэтому для преобразования сигнала используется внешнее устройство FPGA.
Энкодеры широко используются в приложениях управления движением с обратной связью. Выбор лучшего датчика положения для вашего приложения требует опыта, который часто можно найти у поставщиков.
Эффект Виганда
Эффект Виганда — это нелинейный магнитный эффект, названный в честь его первооткрывателя Джона Р. Виганда. Данное явление происходит в специально отожженной и закаленной проволоке, называемой проволокой Виганда.
Проволока Виганда изготавливается из низкоуглеродистого викаллоя, ферромагнитного сплава кобальта, железа и ванадия. Вначале проволока отжигается. Она притягивается к магнитам, и силовые линии магнитного поля «втягиваются» в провод. Но проволока сохраняет лишь очень небольшое остаточное магнитное поле, когда внешнее поле снимается.
Затем проволоку скручивают и раскручивают для холодной обработки внешней оболочки, пока сердечник остается мягким. Затем проволока выдерживается. Это делает магнитную коэрцитивную силу внешней оболочки намного выше, чем у внутреннего сердечника. Высокая коэрцитивность оболочки позволяет ей сохранять внешнее магнитное поле, даже когда первоначальный источник поля удален.
Теперь на проводе будет наблюдаться большой магнитный гистерезис: если к проводу поднести магнит, внешняя оболочка с высокой коэрцитивной силой удерживает магнитное поле от внутреннего мягкого сердечника. Но если магнитное поле превышает заданный порог, весь провод — как внешняя оболочка, так и внутренний сердечник — быстро меняет полярность намагничивания. Это переключение (эффект Виганда) происходит за несколько микросекунд.
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.
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 :
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.
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 – ведь не может же частота выходных импульсов 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.
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.
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
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.
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: 782 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: 665 раз./
Приглашаю коллег к обсуждению в комментариях, буду рад замечаниям и дополнениям к статье!