أنواع المشفرات

المشفرات هي “عيون” أنظمة الأتمتة الصناعية والتحكم الدقيق في الحركة، حيث تحول الحركة الميكانيكية بدقة إلى إشارات كهربائية. بناءً على احتياجات التطبيق وتقنيات التنفيذ، يمكن تصنيفها من ثلاثة أبعاد: نوع الإشارة الصادرة، شكل القياس، ومبدأ الكشف. فيما يلي تحليل مهني ومفصل.

أولاً: التصنيف حسب نوع الإشارة الصادرة

1. المشفر التزايدي (Incremental Encoder)

• مبدأ العمل: يولّد نبضات A/B متعامدة بواسطة حساسات ضوئية أو مغناطيسية، ويصدر نبضة Z للصفر مرة واحدة.
• المؤشرات الرئيسية:
  • الدقة: عادةً 500–10 000 PPR؛ ويمكن رفعها إلى عشرات الآلاف أو ملايين عبر تقنية التضخيم (4×، 16×).
  • جودة الإشارة: خطأ طور < 5°، وتشويش (جيت) < ±1 LSB.
• المخرجات القياسية: TTL (0–5V)، HTL (10–30V)، وإشارة تفاضلية RS‑422.
• الإيجابيات والسلبيات:
  • الإيجابيات: تكلفة منخفضة، استجابة سريعة، مناسب للتحكم المغلق في السرعة/الموقع.
  • السلبيات: فقدان الموضع عند انقطاع التيار؛ يتطلب عداد خارجي وعملية إعادة الصفر.
• التطبيقات النمطية: محركات السيرفو، قياس سرعة المحرك، مراقبة مسارات الحركة الترددية.

2. المشفر المطلق (Absolute Encoder)

• مبدأ العمل: كل موضع يرتبط بقيمة فريدة (ثنائية أو كود Gray)، مما يمكّن من قراءة الموضع المطلق دون إعادة الصفر؛ والإصدارات متعددة الدورات تستخدم تروسًا أو دوائر للعد.
• المؤشرات الرئيسية:
  • دقة الدورة الواحدة: 8–20 بت؛ نطاق تعدد الدورات: 16–32 بت.
  • تنسيقات الكود: Gray، ثنائي (Binary)، BCD، Excess‑3، وغيرها.
• واجهات الاتصال: SSI، BiSS‑C، EnDat 2.2 (متزامن)، CANopen، Profinet (شبكي).
• الإيجابيات والسلبيات:
  • الإيجابيات: يحتفظ بالموضع عند انقطاع التيار، مناسب للأنظمة متعددة المحاور ذات الموثوقية العالية؛ يدعم التهيئة عبر الإنترنت.
  • السلبيات: تكلفة أعلى؛ الواجهات التسلسلية تتطلب متحكمات ذات عرض نطاق عالٍ.
• التطبيقات النمطية: مفاصل الروبوت، مراكز التشغيل CNC متعددة المحاور، الأنظمة الحرجة ذات السلامة العالية.

3. المشفر الهجين (Hybrid Encoder)

• التعريف: يجمع بين إشارات التزايد والإشارات المطلقة في جهاز واحد، مما يوفر كلاً من نبضات عالية السرعة وقراءة مطلقة للموقع.
• الخصائص: يوفر نبضات سريعة بالإضافة إلى قيمة مطلقة للموقع، ويُستخدم غالبًا في أنظمة السلامة ذات التكرار (Redundancy).
• التطبيقات النمطية: أنظمة السلامة SIL، مراقبة المظلات في الطيران والفضاء، AGV في اللوجستيات الذكية.

ثانيًا: التصنيف حسب شكل القياس

1. المشفر الدوراني (Rotary Encoder)

• الهيكل: محور صلب/مجوف/نصف مجوف، يُثبت بواسطة حافة (Flange) أو لوحة أمامية.
• المواصفات الميكانيكية: قطر المحور φ3–φ20 مم، حمولة نصف قطرية 10–50 نيوتن، حمولة محورية 5–20 نيوتن؛ عمر المحمل L₁₀ ≥ 10⁷ ساعة.
• نصائح التثبيت: تحقق من توازي المحور < 0.05 مم وتجنب الأحمال الجانبية والاهتزازات العالية.
• أمثلة تطبيقية: تغذية محركات السيرفو، التحكم في الطاولات الدوارة، تموضع الصمامات.

2. المشفر الخطي (Linear Encoder)

• الأنواع: قضبان ضوئية، قضبان مغناطيسية، قضبان سعوية؛ يجب الحفاظ على فجوة 0.1–1 مم بين رأس الاستشعار والقضيب.
• الدقة: دقة 0.01–1 ميكرومتر، خطأ خطي < ±1 µm/m.
• مقاومة البيئة: النوع الضوئي يتطلب بيئة خالية من الغبار؛ المغناطيسي يعمل في وجود الزيت والغبار.
• أمثلة تطبيقية: ناظمات الحركة في ماكينات CNC، أذرع القياس في أجهزة CMM، آلات التعرض الضوئي للرقائق.

3. المشفر بحبل السحب (Draw‑Wire Encoder)

• الهيكل: بكرة بسلك فولاذي وآلية نابضية للحفاظ على التوتر، يمكن قياس مسافات تصل إلى عدة أمتار.
• الدقة: دقة 0.1 مم؛ تكرارية < ±0.5 مم.
• السيناريوهات المناسبة: قياس ارتفاع المنصات، كشف موضع الستائر القابلة للسحب، استكشاف الأنفاق.
• توصيات التثبيت: اجعل السلك عموديًا ومشدودًا لتجنب الانحراف والانثناء.

ثالثًا: التصنيف حسب مبدأ الكشف

1. المشفر الضوئي (Optical Encoder)

• آلية الكشف: مصدر ضوء → قرص شبكي → كاشف ضوئي، توليد نبضات بناءً على تغيرات النفاذ/الانعكاس.
• ميزة الدقة: تصل إلى ملايين PPR؛ تشويش < ±0.1 arcsec.
• العيوب: حساس للغبار والزيت وتقلبات الحرارة.
• المعايير: مطابق ISO 23125 للمشفرات الضوئية.

2. المشفر المغناطيسي (Magnetic Encoder)

• آلية الكشف: يعتمد على مجسات هول أو مقاومة مغناطيسية لقياس التغيرات في المجال المغناطيسي.
• الموثوقية: مقاوم للتلوث والاهتزازات وتغيرات الحرارة؛ دقة عادية 0.1–0.5 درجة.
• التطبيقات: تموضع كابينة المصاعد، مراقبة زاوية الآلات الثقيلة.
• المعايير: مطابق DIN 32701 للمشفرات المغناطيسية.

3. المشفر السعوي (Capacitive Encoder)

• آلية الكشف: تتغير السعة بين الصفائح مع الحركة، ويُقاس ذلك باستخدام إثارة AC.
• الخصائص: استهلاك منخفض للطاقة، حجم صغير، مقاوم للاهتزاز؛ دقة تصل إلى ±1 ميكرومتر.
• العيوب: حساس للبيئات المعدنية والشحنات الساكنة.
• التطبيقات: روبوتات دقيقة، أذرع ميكانيكية طبية، منصات مايكرو/نانو.

4. المشفر الاستقرائي (Inductive Encoder)

• آلية الكشف: يعتمد على التغير في الاقتران الاستقرائي بين ملف وجسم معدني لقياس المسافة.
• المزايا: مقاوم للحرارة والضغط العالي والتداخل الكهرومغناطيسي القوي.
• الدقة: عادةً ±10 ميكرومتر؛ مناسب للصناعات الثقيلة والقطارات.
• المعايير: يستند إلى دليل IEC 62130 لمستشعرات الموضع الاستقرائية.

رابعًا: نصائح اختيار المشفر المناسب

1. حدد المتطلبات: نوع الحركة (دوراني/خطي)، نوع الإشارة (تزايدي/مطلق).
2. توافق الدقة والسرعة: الدقة العالية تتطلب عرض نطاق تحكم وقدرة تفكيك مناسبين.
3. مقاومة البيئة: المشفر الضوئي للغرف النظيفة، والمغناطيسي/الاستقرائي للبيئات القاسية.
4. الاعتمادية الميكانيكية: راعِ حمولة المحمل وعمره ومواءمة التثبيت.
5. التوافق الاتصالي: تأكد من دعم البروتوكول والواجهة المطلوبة للتكامل والتشخيص.

باستخدام هذه الأبعاد الثلاثة للتصنيف ومقارنة الأداء، يمكنك بسرعة اختيار نوع المشفر الأنسب، تحسين أداء المعدات، وتقليل تكاليف التطوير والصيانة.