انکودر چرخشی
انکودرهای چرخشی حسگرهایی هستند که حرکت دورانی مکانیکی را به سیگنال‌های دیجیتال یا آنالوگ تبدیل می‌کنند و در اتوماسیون صنعتی، رباتیک، ماشین‌های CNC، تجهیزات پزشکی و سیستم‌های حمل‌ونقل به طور گسترده استفاده می‌شوند. با تشخیص جابجایی زاویه‌ای، سرعت و جهت، بازخورد دقیقی به سیستم‌های کنترل ارائه می‌دهند. این مقاله به طور کامل به تعریف، اصول عملکرد، طبقه‌بندی، پارامترهای فنی، تحلیل مقایسه‌ای، سناریوهای کاربردی، مقررات استاندارد و توصیه‌های انتخاب برای انکودرهای چرخشی می‌پردازد.
انکودر چرخشی چیست؟
انکودر چرخشی یک دستگاه بازخورد موتور یا حسگر موقعیت است که برای اندازه‌گیری جابجایی زاویه‌ای، سرعت و جهت چرخشی یک محور استفاده می‌شود. عملکرد اصلی آن تبدیل حرکت دورانی به سیگنال‌های الکتریکی است که توسط یک کنترلر رمزگشایی می‌شوند تا موقعیت فعلی و وضعیت حرکت دستگاه را تعیین کند. انکودرهای چرخشی عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند: انکودر افزایشی که سیگنال‌های پالس خروجی می‌دهد و انکودر مطلق که اطلاعات موقعیت منحصر به فردی ارائه می‌دهد.
اصول عملکرد
تشخیص نوری
- استفاده از منبع نور برای روشن کردن دیسک مشبک با بخش‌های شفاف و مات.
- هنگام چرخش دیسک، فتودتکتور سیگنال‌های پالس تولید می‌کند.
تشخیص مغناطیسی
- استفاده از حسگرهای مغناطیسی مقاومتی، اثر هال یا مقاومت مغناطیسی غول‌پیکر (GMR) برای تشخیص تغییر قطب‌های مغناطیسی.
تشخیص القایی/خازنی
- تغییرات در اندوکتانس یا ظرفیت برای تشخیص جابجایی زاویه‌ای، مناسب برای محیط‌های سخت (آلودگی بالا، لرزش).
منطق سیگنال خروجی
- انکودرهای افزایشی فازهای A و B (کواردراتور) و فاز Z (پالس مرجع صفر) را خروجی می‌دهند.
- انکودرهای مطلق سیگنال‌های باینری چندبیتی یا کد گری ارائه می‌کنند.
انواع
✓ براساس سیگنال خروجی
- افزایشی: خروجی سیگنال پالس، مناسب برای تشخیص سرعت و جهت.
- مطلق: خروجی اطلاعات موقعیت منحصر به فرد، تک‌دور یا چنددور.
✓ براساس ساختار مکانیکی
- محور جامد
- محور توخالی
- محور توخالی کور
✓ براساس فناوری تشخیص
- انکودر نوری
- انکودر مغناطیسی
- انکودر القایی
- انکودر خازنی
✓ براساس پروتکل صنعتی و خروجی
- TTL/HTL/RS422
- Sin/Cos
- SSI، BiSS-C، EnDat
- Profibus، Profinet، EtherCAT، CANopen
مشخصات فنی
| پارامتر | محدوده/جزئیات |
|---|---|
| وضوح | ۱ تا ۴٬۱۹۴٬۳۰۴ PPR یا ۸ تا ۲۴ بیت |
| حداکثر سرعت | ۳۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰ RPM، مدل‌های ویژه تا ۲۰٬۰۰۰ RPM |
| درجه حفاظت | IP50 تا IP68 |
| دمای عملیاتی | -۴۰°C تا +۱۰۵°C |
| پارامترهای الکتریکی | ۵V، ۱۰-۳۰V، جریان خروجی معمولاً کمتر از ۱۰۰mA |
| مقاومت در برابر لرزش/ضربه | IEC 60068-2: ۱۰-۲۰g (لرزش)، ۵۰-۲۰۰g (ضربه) |
| انواع سیگنال خروجی | TTL، HTL، RS422، SSI، BiSS-C، Profinet، EtherCAT |
مزایا و محدودیت‌ها
مزایا:
- وضوح و تکرارپذیری بالا.
- پاسخ سریع مناسب برای کنترل پویا.
- رابط‌ها و پروتکل‌های ارتباطی متنوع.
- مقاومت عالی در برابر تداخل الکترومغناطیسی برای محیط‌های صنعتی پیچیده.
محدودیت‌ها:
- انواع نوری به آلودگی حساس هستند.
- مدل‌های با وضوح بالا می‌توانند گران باشند.
- برخی فناوری‌ها در دما/لرزش شدید کاهش عملکرد دارند.
مقایسه با حسگرهای زاویه‌ای دیگر
| نوع | دقت | هزینه | مقاومت در برابر تداخل | انعطاف‌پذیری کاربرد |
|---|---|---|---|---|
| پتانسیومتر | پایین | پایین | ضعیف | سیستم‌های ساده |
| ریزولور | متوسط | متوسط | بالا | محیط‌های پرلرزش و دمای بالا |
| انکودر چرخشی | بالا (تا ۲۴ بیت) | متوسط/بالا | بالا | سیستم‌های صنعتی مختلف |
حوزه‌های کاربردی
- اتوماسیون صنعتی: بازخورد موتور، بازوی رباتیک.
- ماشین‌های CNC: بازخورد موقعیت محور اسپیندل و محور تغذیه.
- رباتیک: کنترل مفصل و بازخورد مسیر.
- تجهیزات پزشکی: تشخیص چرخش MRI و CT.
- آسانسورها و حمل‌ونقل: موقعیت‌یابی کابین و بازخورد کنترل درب.
- انرژی بادی و خورشیدی: زاویه تیغه و سیستم‌های ردیابی خورشیدی.
استانداردهای صنعتی
- IEC 61800-5-2:2016: ایمنی عملکردی سیستم‌های درایو.
- ISO 13849-1:2015: ایمنی سیستم‌های کنترل ماشین‌آلات.
- IEC 60529:2020: درجه حفاظت IP.
- IEC 60068-2: آزمون‌های محیطی لرزش و ضربه.
- ISO 9001:2015: سیستم‌های مدیریت کیفیت تولید.
مشکلات رایج و عیب‌یابی
| مشکل | علت احتمالی | راه‌حل |
|---|---|---|
| بدون خروجی سیگنال | قطع برق، خطاهای سیم‌کشی، آسیب حسگر | بررسی برق، سیم‌کشی، تعویض اجزای آسیب‌دیده |
| نوسان یا از دست دادن سیگنال | تداخل، فرسودگی کابل، شل بودن مکانیکی | بررسی اتصال زمین، تعویض کابل‌ها، محکم کردن بست‌ها |
| خطای خروجی یا نوسان | آلودگی نوری، تداخل مغناطیسی، پیری الکترونیکی | تمیز کردن اجزای نوری، حذف منابع تداخل، تعویض اجزا |
| تأخیر خروجی یا از دست دادن پله | پیکربندی اشتباه پروتکل یا ناسازگاری | بررسی پروتکل، بازبینی سیم‌کشی، به‌روزرسانی تنظیمات کنترلر |
راهنمای انتخاب
- الزامات کاربرد: تعیین پارامترهای اندازه‌گیری (موقعیت، سرعت، جهت).
- نوع انکودر: انتخاب افزایشی یا مطلق (تک‌دور/چنددور).
- فناوری تشخیص: نوری، مغناطیسی، القایی یا خازنی.
- وضوح و سیگنال: مطابقت با دقت سیستم و نیازهای رابط.
- مناسبت محیطی: تأیید درجه IP و مقاومت در برابر لرزش/ضربه.
- رابط مکانیکی: قطر محور، روش نصب و الزامات بار.
- سازگاری ارتباطی: اطمینان از سازگاری با PLC یا کنترلرهای حرکتی.
- استانداردهای انطباق: ترجیح محصولات مطابق با استانداردهای IEC، ISO، UL و سایر استانداردهای بین‌المللی.
منابع
- IEC 61800-5-2:2016
- ISO 13849-1:2015
- IEC 60529:2020
- IEC 60068-2
- ISO 9001:2015
با درک کامل ساختار، اصول عملکرد، پارامترهای عملکرد و کاربردهای انکودرهای چرخشی، مهندسان و یکپارچه‌سازان سیستم می‌توانند انتخاب و یکپارچه‌سازی سیستم دقیق را انجام دهند و عملکرد کنترل و قابلیت اطمینان سیستم را بهینه کنند.