المشفر الدوار
تُعد المشفرات الدوارة أجهزة استشعار تقوم بتحويل الحركة الدورانية الميكانيكية إلى إشارات رقمية أو تماثلية، وتُستخدم على نطاق واسع في الأتمتة الصناعية، والروبوتات، وآلات CNC، والمعدات الطبية، وأنظمة النقل. من خلال اكتشاف الإزاحة الزاوية والسرعة والاتجاه، توفر تغذية راجعة دقيقة لأنظمة التحكم. يشرح هذا المقال بالتفصيل تعريف المشفرات الدوارة، مبادئ التشغيل، التصنيفات، المعايير الفنية، التحليل المقارن، سيناريوهات التطبيقات، اللوائح القياسية، ونصائح الاختيار.
ما هو المشفر الدوار
المشفر الدوار هو جهاز تغذية راجعة للمحرك أو حساس موضعي يُستخدم لقياس الإزاحة الزاوية والسرعة واتجاه الدوران للعمود. تتمثل وظيفته الأساسية في تحويل الحركة الدورانية إلى إشارات كهربائية تقوم وحدة التحكم بفك تشفيرها لتحديد الموضع الحالي وحالة الحركة للجهاز. تنقسم المشفرات الدوارة بشكل رئيسي إلى مشفرات تزايدية التي تخرج إشارات نبضية، ومشفرات مطلقة التي توفر معلومات موضعية فريدة.
المبادئ التشغيلية
الكشف البصري
- يستخدم مصدر ضوء لإضاءة قرص شبكي به مناطق شفافة ومعتمة.
- أثناء دوران القرص، يولد كاشف ضوئي إشارات نبضية.
الكشف المغناطيسي
- يستخدم حساسات مغناطيسية مثل تأثير هول أو المقاومة المغناطيسية العملاقة (GMR) لاكتشاف تغييرات الأقطاب المغناطيسية.
الكشف التحريضي/السعوي
- تُستخدم التغيرات في الحث أو السعة لاستشعار الإزاحة الزاوية، مناسبة للبيئات القاسية (التلوث العالي والاهتزاز).
منطق إشارة الخرج
- تخرج المشفرات التزايدية مراحل A وB (تربيعية) ومرحلة Z (نبضة مرجعية صفرية).
- توفر المشفرات المطلقة إشارات ثنائية فريدة أو رموز جراي متعددة البتات.
الأنواع
✓ حسب إشارة الخرج
- تزايدي: يخرج إشارات نبضية، مناسب لاكتشاف السرعة والاتجاه.
- مطلق: يخرج معلومات موضعية فريدة، أحادي الدورة أو متعدد الدورات.
✓ حسب البنية الميكانيكية
- عمود صلب
- عمود أجوف
- عمود أجوف مغلق
✓ حسب تقنية الكشف
- مشفرات بصرية
- مشفرات مغناطيسية
- مشفرات تحريضية
- مشفرات سعوية
✓ حسب البروتوكول الصناعي والإخراج
- TTL/HTL/RS422
- سين/كوس
- SSI، BiSS-C، EnDat
- Profibus، Profinet، EtherCAT، CANopen
المواصفات الفنية
| المعلمة | النطاق/التفاصيل |
|---|---|
| الدقة | 1 إلى 4,194,304 PPR أو 8 إلى 24 بت |
| السرعة القصوى | 3000 إلى 12000 دورة في الدقيقة، نماذج خاصة حتى 20000 دورة |
| تصنيف الحماية | IP50 إلى IP68 |
| نطاق درجة الحرارة | -40°C إلى +105°C |
| المعلمات الكهربائية | 5 فولت، 10-30 فولت، تيار الإخراج عادةً < 100 مللي أمبير |
| مقاومة الاهتزاز/الصدمة | IEC 60068-2: 10-20 جم (اهتزاز)، 50-200 جم (صدمة) |
| أنواع إشارة الإخراج | TTL، HTL، RS422، SSI، BiSS-C، Profinet، EtherCAT |
المزايا والقيود
المزايا:
- دقة عالية وقابلية تكرار ممتازة.
- استجابة سريعة مناسبة للتحكم الديناميكي.
- واجهات وبروتوكولات اتصال متنوعة.
- مقاومة ممتازة للتداخل الكهرومغناطيسي في البيئات الصناعية المعقدة.
القيود:
- الأنواع البصرية حساسة للتلوث.
- النماذج ذات الدقة العالية قد تكون مكلفة.
- قد تتدهور بعض التقنيات تحت درجات الحرارة/الاهتزاز الشديدة.
المقارنة مع الحساسات الزاوية الأخرى
| النوع | الدقة | التكلفة | مقاومة التداخل | مرونة التطبيق |
|---|---|---|---|---|
| مقياس الجهد | منخفضة | منخفضة | ضعيفة | أنظمة بسيطة |
| المحلل الدوار (Resolver) | متوسطة | متوسطة | عالية | بيئات اهتزازية ودرجات حرارة عالية |
| المشفر الدوار | عالية (حتى 24 بت) | متوسطة/مرتفعة | عالية | أنظمة صناعية متنوعة |
مجالات التطبيق
- الأتمتة الصناعية: تغذية راجعة للمحرك، أذرع الروبوت.
- آلات CNC: تغذية راجعة لموضع محور المغزل والتغذية.
- الروبوتات: التحكم في المفاصل وتغذية راجعة للمسار.
- المعدات الطبية: الكشف عن دوران أجهزة MRI وCT.
- المصاعد والنقل: تحديد موقع الكابينة والتحكم في الأبواب.
- طاقة الرياح والطاقة الشمسية: زاوية الشفرات وأنظمة تتبع الشمس.
المعايير الصناعية
- IEC 61800-5-2:2016: السلامة الوظيفية لأنظمة القيادة.
- ISO 13849-1:2015: سلامة أنظمة التحكم في الآلات.
- IEC 60529:2020: رمز الحماية من الدخول (IP).
- IEC 60068-2: اختبارات الاهتزاز والصدمة البيئية.
- ISO 9001:2015: أنظمة إدارة الجودة في التصنيع.
المشاكل الشائعة واستكشاف الأخطاء
| المشكلة | السبب المحتمل | الحل |
|---|---|---|
| عدم وجود إشارة خرج | انقطاع الطاقة، أخطاء في التوصيل، تلف الحساس | التحقق من الطاقة والتوصيلات، استبدال المكونات التالفة |
| تذبذب الإشارة أو فقدانها | التداخل، شيخوخة الكابلات، رخاوة ميكانيكية | فحص التأريض، استبدال الكابلات، شد التثبيتات |
| خطأ في الإخراج أو تذبذب | تلوث بصري، تداخل مغناطيسي، شيخوخة إلكترونية | تنظيف المكونات البصرية، إزالة مصادر التداخل، استبدال المكونات |
| تأخير في الإخراج أو فقدان الخطوات | سوء تكوين البروتوكول أو عدم التوافق | التحقق من البروتوكول، فحص التوصيلات، تحديث إعدادات وحدة التحكم |
دليل الاختيار
- متطلبات التطبيق: تحديد معلمات القياس (الموضع، السرعة، الاتجاه).
- نوع المشفر: اختيار تزايدي أو مطلق (دورة واحدة/متعددة).
- تقنية الكشف: بصري، مغناطيسي، تحريضي، أو سعوي.
- الدقة والإشارة: مطابقة متطلبات الدقة والواجهة للنظام.
- الملاءمة البيئية: تأكيد تصنيف IP ومقاومة الاهتزاز/الصدمة.
- الواجهة الميكانيكية: قطر العمود، طريقة التثبيت، ومتطلبات الحمل.
- توافق الاتصال: التأكد من التوافق مع PLC أو وحدات التحكم الحركية.
- معايير الامتثال: تفضيل المنتجات المتوافقة مع IEC، ISO، UL والمعايير الدولية الأخرى.
المراجع
- IEC 61800-5-2:2016
- ISO 13849-1:2015
- IEC 60529:2020
- IEC 60068-2 Series
- ISO 9001:2015
من خلال الفهم العميق لبنية المشفرات الدوارة، مبادئ التشغيل، معلمات الأداء، والتطبيقات، يمكن للمهندسين ومتكاملي الأنظمة تحقيق اختيار دقيق وتكامل نظامي، مما يحسن أداء التحكم وموثوقية النظام.