انکودر

انکودر، حسگری است که به محور گردنده وصل می شود و میتواند میزان چرخش محور را اندازه گیری کند.با اندازه گیری میزان چرخش می توان جابجایی دورانی، سرعت و شتاب زاویه ای را تعیین کند یا به طور ساده تر انکودرها وسیله ای هستند که حرکت دورانی یا خطی را به سیگنال دیجیتالی ۰ یا ۱ تبدیل می کنند البته نا گفته نماند که بعضی از انکودر ها خروجی آنالوگ (۰ تا ۱۰ ولت و یا ۴ تا ۲۰میلی آمپر) دارند.

برای توضیح واضح از نحوه عملکرد انکودر به بیان عملکرد انکودر نوری که رایج ترین نوع آن است میپردازیم:نحوه عملکرد این انکودر بدین ترتیب می باشد که یک صفحه دایره ای شیاردار به محور گردنده متصل شده و در یک سمت آن یک فرستنده و در سمت دیگر یک گیرنده نوری قرار داده شده است.با چرخش صفحه و عبور شیارها از مقابل فرستنده نوری، در سمت گیرنده پالس های الکتریکی تولید می شود.به عبارت دیگر می توان گفت زمانیکه نور ارسال توسط فرستنده از شیارهای چرخنده عبور می کند و به گیرنده می رسد، مقدار ولتاژ خروجی یک می شود و زمانیکه نور ارسالی توسط فرستنده به پره ها برخورد می کند و به توسط گیرنده دریافت نمی شود ، مقدار ولتاژ خروجی صفر می گردد.به این ترتیب پالس های الکتریکی تولید می گردد.

انکودر ها معمولا در سیستم های اتوماسیون و کنترلی در قسمتی نصب می شوند که بتوانند از خروجی فیدبک را برای کنترلر ارسال کنند و پارارمترهای زیر را مشخص کند:

·         اندازه گیری سرعت

·         اندازه گیری و کنترل موقعیت

·         جهت چرخش شفت

کاربرد های انکودر:

چند مورد از کاربرد انکودرها:

• ماشین های cnc
• ماشین های چاپ
• آسانسور
• روباتهای صنعتی
• ماشین های بسته بندی
• و...

معرفی انواع انکودرها

انکودر  ها از لحاظ عملکرد و ساختمان داخلی به ۳ دسته تقسیم می شوند:

نوری

 مغناطیسی

خازنی

۱-نوری optical :

انکودرهای نوری در واقع یک فرستنده و گیرنده LED هستند که با قطع نور به ازای چرخش شفت انکودر در خروجی تولید پالس های الکتریکی می کنند که از همین قانون برای انکودر های خازنی و مغناطیسی هم استفاده می شود. انکودر های نوری ، دقیق ترین نوع انکودر ها هستند. وقتی یک انکودر نوری را انتخاب میکنیم ، خیلی مهم است که انکودر مذکور حفاظت های اضافی برای جلوگیری از آلودگی ناشی از گرد و غبار ، لرزش (vibration) و سایر شرایط رایج در محیط های صنعتی را داشته باشد.در شمارنده نوری صرفا مسافت طی شده توسط چرخنده نسبت به موقعیت اولیه و مقدار سرعت و چرخش شفت قابل اندازه گیری می باشد و نمیتوان جهت چرخش را مشخص کرد.

۲-مغناطیسی magnetic :

انکودر های مغناطیسی با وجود اینکه از انکودر های نوری مقاوم ترند و اغلب در محیط های در معرض آلودگی ، بخار، لرزش و سایر انواع تداخل های محیطی استفاده می شوند ولی قدرت تفکیک (resolution) یا دقت انکودر های نوری بالاتر می باشد.

۳-خازنی capacitive:

انکودر های خازنی نسبت به دو مدل قبلی در دنیای صنعت تازه وارد محسوب می شوند. انکودر های خازنی از نظر نیرومندی مانند مدل های مغناطیسی هستند ولی قدرت تفکیک پذیری انکودر های نوری از انکودرهای خازنی بالاتر است. البته انکودر های خازنی بدون توجه به نوع تکنولوژی مورد استفاده قابلیت تشخیص حرکت و تبدیل آن به سیگنال های استاندارد رایج در صنعت را دارا هستند

انکودر از لحاظ ساختمان به ۲ مدل تقسیم می شوند

• انکودر های خطی
• انکودر های چرخشی و یا دورانی

انکودر خطی:

این نوع انکودر به منظور اندازه گیری حرکت خطی مورد استفاده قرار می گیردو از لحاظ ساختمانی در انواع نوری ، مغناطیسی و مقاومتی تولید می شوند. انکودر خطی مدل نوری دارای خروجی دیجیتال و انکودر خطی مدل مغناطیسی و مقاومتی دارای خروجی آنالوگ است. این انکودرها در دستگاههایی مثل دستگاه پرس برای اندازه گیری میزان حرکت طولی پیستون جک ودر غلتکها برای اندازه گیری میزان فاصله طولی بین توپی های غلتک استفاده می شوند.

انکودر چرخان:

انکودر دوار یا شافت انکودر (Shaft encoder) ، در واقع یک تجهیز الکترومکانیکی است که موقعیت یا حرکت زاویه ای یک شفت یا یک محور را به یک کد آنالوگ یا دیجیتال تبدیل میکند. این نوع انکودر به طور معمول از یک با دو جفت LED فرستنده و گیرنده و یک دیسک مدرج (سیاه و سفید یا جای خالی و جای پر) استفاده می کند. دیسک مدرج مابین سنسورهای فرستنده و گیرنده قرار دارد و این مجموعه بر روی محور چرخان دستگاه قراردارد. هنگام چرخش شافت دیسک درجه بندی شده به همراه شافت می چرخد و سنسورهای گیرنده وفرستنده ثابت می مانند. درنتیجه سیگنالی که از سمت فرستنده به گیرنده ارسال می شود توسط چرخش دیسک به طور متوالی قطع و وصل می شود به این صورت ما در خروجی گیرنده یک قطار از پالسهای متوالی صفر و یک منطقی داریم. این پالسها همان کدهایی هستند که انکودر تولید میکند و برای اینکه تبدیل به موقعیت و یا تعداد دوران شافت شود به ورودی یک دیکودر داده می شود. هر چه تعداد نقاط سیاه و سفید روی دیسک بیشتر باشد تعداد این صفر و یک های منطقی در یک دوران کامل( ۳۶۰ درجه) بیشترمیشودو درنتیجه دقت اندازه گیری آن افزایش می یابد.

۳-انکودرها از نظر نوع خروجی سیگنال دیجیتال به ۲ دسته تقسیم می شوند:

الف:افزایشی

ب:مطلق

انکودر افزایشی (Incremental encoder) :

اگر انکودر فقط دارای یک ردیف پالس باشد نمی تواند به درستی جهت چرخش را نشان دهد و باید دارای پالس دومی نیز باشد که به این منظور باید یک فرستنده و گیرنده نوری دیگر به مجموعه اضافه شود. بنابر این در لحظاتی که نمی توان جهت چرخش شفت را تشخیص داد(در لحظاتی هر دو پالس یک منطقی و در لحظاتی صفر منطقی هستند) نیاز به پالس سومی داریم که این پالس بر اثر یک دور چرخش کامل به وجود می آید که به آن پالس فرمان میگویند و از آن برای شمارش تعداد دوران نیز استفاده می شود .

به بیان ساده تر در انکودر افزایشی از یک جفت شمارنده نوری در دو طرف چرخ شیاردار با فاصله مشخص استفاده می شود. نحوه قرار گیری این شمارنده ها به گونه ای است که با چرخش صفحه چرخنده دو پالس خروجی با یکدیگر اختلاف فاز 90 درجه دارند و براساس آن میتوان جهت چرخش را نیز مشخص نمود. این نوع از انکودرها از پرکاربردترین نوع انکودرها می باشند چرا که علاوه بر قیمت مناسب ، قابلیت تشخیص جهت و دقت بسیار بالایی دارند و میتوانند تا هزار پالس در یک دور کامل را تولید کنند.

انکودر مطلق (Absolute encoder) :

يكی از ایرادات انكودرهاي افزايشي اين است كه شمارش پالسهاي آن در يك ميانگير يا اكسترنال كانتر (Counter External) ذخيره مي شود که اگر برق قطع شود و يا به هر حال دلیل دیگری اختلال پيدا كند شمارش نامشخص خواهد شد زیرا نقطه صفر براي دستگاه به هنگام راه اندازي مجدد تعريف نشده است اين بدان معناست كه چنانچه قدرت را از يك ماشين الكتريكي با انكودري كه داراي چرخاننده الكتريكي است بگيريم ديگر انكودر موقعيت صحيح را نخواهد دانست. براي حل اين مشكل از انكودرهاي مطلق استفاده مي شود و در اين صورت ماشين هميشه موقعيت خود را می داند. انکودرمطلق به طور مداوم موقعیت خود را که به عنوان یک پیغام دیجیتالی که 1 و 0 است، گزارش می دهند که حرکت و یا توقف رمزگذار را نشان می دهد . آنها می توانند موقعیت خود را حتی اگر دستگاه خاموش باشد به یاد آورند ،در واقع انکودر های مطلق یک تعداد عدد واحد برای هر زاویه از انکودر دارند که با قرار گیری در آن نقطه پالس و کد آن در خروجی ظاهر میشود.این انکودر ها نسبت به انکودر های افزایشی گرانتر بوده و پس از هربار بازنشانی کنترلر موقعیت شفت انکودر فراموش نمی شود.در انکودرهای مطلق از یک صفحه شفاف استفاده می شود که بخشهایی از آن سیاه شده اند، این صفحه در بین چندیدن گیرنده و فرستنده مادون قرمز قرار دارد، در هر لحظه تعدادی از این گیرنده ها صفر و تعدادی یک را نشان می دهند،بدین ترتیب یک عدد باینری بدست می آید که زاویه ای بین 0 تا 360 درجه را نشان می دهد.

تصویر واقعی از مدار داخلی یک انکودر مطلق

با توجه به توضیحات داده شده و بیان نحوه عملکرد، ساختمان و خروجی انکودرها بصورت جداگانه، می توان گفت انکودرهای موجود در بازار به انواع مختلفی تقسیم می شوند که شامل خصوصیات بیان شده هستند : برای مثال انکودر نوری افزایشی چرخان یا انکودر نوری مطلق خطی و ... که مشخصات آنها را بررسی کردیم.

انکودر های نوری افزایشی خطی

این انکودرها از نظر پالس های خروجی همانند انکدر های چرخشی بوده ولی حرکت آنها به صورت خطی می باشد. اساس كار انكودر افزایشی خطی سنجش موقعيت درحركتهاي طولی با توليد  قطار پالس مربعي يا موج سينوسي در دو کانال A , B است كه با هم به اندازه 90 درجه الكتريكي اختلاف فاز دارند.

انکودر نوری مطلق خطی

یکی از مدل های دیگر انکودرها به صورت مطلق خطی بوده که کاربرد بسیاری در اندازه گیری های طولی دارد که به خط کش های دیجیتال معروف هستند. اين نوع انكودرها براي تشخيص موقعيت در حركت طولی استفاده مي شوند. در اين نوع انكودرها خروجي بصورت چند بيت ( بسته به رزولوشن مورد نياز) در دسترس است كه اين بيتها وقتي در كنار هم قرار مي گيرند كد گري ( Gray Code ) را تشكيل مي دهند و با استفاده ازيك مدار منطقي ساده مي توان آن را به کد باينري تبديل كرد كه اين مقدار باينري موقعيت محور را تعيين مي كند. هر چه تعداد اين بيتها بيشتر باشد رزولوشن نيز بيشتر است.

انکودر نوری افزایشی چرخان

انکودر نوری مطلق چرخان

اين نوع انكودرها براي تشخيص موقعيت در حركت دوراني استفاده مي شوند. در اين نوع انكودرها خروجي بصورت چند بيت ( بسته به رزولوشن مورد نياز) در دسترس است كه اين بيتها وقتي در كنار هم قرار مي گيرند كد گري ( Gray Code ) را تشكيل مي دهند و با استفاده ازيك مدار منطقي ساده مي توان آن را به کد باينري تبديل كرد كه اين مقدار باينري موقعيت محور را تعيين مي كند. هر چه تعداد اين بيتها بيشتر باشد رزولوشن نيز بيشتر است

در بسياري از كاربردها تعداد دفعات چرخش كامل بيش از يك بار است ، براي اين منظور يك سنسور و متناظر با آن یک بیت براي شمارش دفعات چرخش تعبيه شده است. مزيت اين نوع نسبت به افزايشي در اين است كه در لحظه راه اندازي موقعيت محور مشخص است و نيازي به دوران اوليه براي يافتن نقطه مبدا وجود ندارد. اين نوع انكودرها ممکن است به علت محدوديت فضايي تعداد سنسورها رزولوشن پايين تري نسبت به انكودرهاي افزايشي داشته باشند و از طرفی هم هر چه تعداد بيتها افزوده شود قيمت انكودر نيز بصورت تصاعدي افزايش مي يابد.

 براي رفع مشكل رزولوشن و همچنين كاهش قيمت برخی انکودرها به طور همزمان هم داراي خروجي مطلق و هم داراي خروجي افزايشي هستند ، اين نوع انكودر اين امكان را فراهم مي كنند كه براي يافتن نقطه مبدا تنها به اندازه بسيار كوچكي ( به اندازه تغيير بيت كم ارزش قسمت مطلق ) دوران صورت گيرد تا موقعيت محور مشخص شود و پس از آن از قسمت افزایشی كه داراي رزولوشن بالايي است استفاده مي شود و موقعيت اندازه گيري مي شود. بنابراين بطور همزمان دو مزيت رزولوشن بالا و داشتن موقعيت لحظه شروع فراهم مي شود.

انکودرهای مغناطیسی مطلق چرخان

این انکودرها هم همانند انکودرهای افزایشی بوده ولی در تولید پالس از سنسورهای اثر هال استفاده شده است.

انکودر چرخشی سینوسی و کسیونوسی 

این مواردی که گفته شد برای خروجی دیجیتال بود.اگر خروجی آنالوگ باشد دسته ای دیگر از انکودرها هستند به نام انکودر چرخشی سینوسی و کسیونوسی ،این انکودر ها تفاوت عمده ای با انکودر های افزایشی و مطلق دارد،با این تفاوت که در این انکودر ها پالس ها به صورت دیجیتال نبوده و به صورت سیگنال آنالوگ می باشد که با اندازه گیری فرکانس و اختلاف فاز و شمارش نقاط صفر سیگنالها می توانیم سرعت،موقعیت و جهت حرکت شفت را به دست آوریم.