Typy enkoderów

Enkodery to „oczy” systemów automatyki przemysłowej i precyzyjnego sterowania ruchem, pozwalające zamienić ruch mechaniczny na sygnał elektryczny z wysoką dokładnością. W zależności od potrzeb aplikacyjnych i zastosowanej technologii można je klasyfikować pod kątem rodzaju sygnału wyjściowego, formy pomiaru oraz zasady detekcji. Poniżej przedstawiamy profesjonalną i szczegółową analizę.

I. Klasyfikacja według rodzaju sygnału wyjściowego

1. Enkoder przyrostowy (Incremental Encoder)

• Zasada działania
  Generuje impulsy A/B w kwadraturze za pomocą czujnika optycznego lub magnetycznego, a faza Z daje pojedynczy impuls referencyjny (home).
• Kluczowe parametry
  • Rozdzielczość: typowo 500–10 000 PPR; dzięki interpolacji (4×, 16×) można osiągnąć dziesiątki tysięcy lub miliony PPR.
  • Jakość sygnału: błąd fazy < 5°, jitter < ±1 LSB.
• Standardy wyjścia: TTL (0–5 V), HTL (10–30 V), RS‑422 różnicowy.
• Zalety i wady
  • Zalety: niski koszt, szybka odpowiedź; idealny do sterowania zamkniętego (prędkość/pozycja).
  • Wady: utrata pozycji przy braku zasilania; wymaga zewnętrznego licznika i procedury homingu.
• Typowe zastosowania: serwosterowniki, pomiar prędkości silników, monitorowanie skoku mechanizmów posuwisto‑zwrotnych.

2. Enkoder absolutny (Absolute Encoder)

• Zasada działania
  Każda pozycja odpowiada unikalnemu kodowi binarnemu lub Gray, co pozwala odczytać absolutne położenie bez homingu; enkodery wielooktrowe (multi‑turn) używają przekładni lub licznika obrotów.
• Kluczowe parametry
  • Rozdzielczość single‑turn: 8–20 bitów; multi‑turn: 16–32 bitów.
  • Formaty kodu: Gray, Binary, BCD, Excess‑3 itp.
• Interfejsy: SSI, BiSS‑C, EnDat 2.2 (synchroniczny), CANopen, Profinet (sieciowy).
• Zalety i wady
  • Zalety: zachowuje pozycję po zaniku zasilania; odpowiedni dla wysoko niezawodnych systemów wieloosiowych; wspiera parametrację online.
  • Wady: wyższy koszt; interfejsy szeregowe wymagają sterowników o dużej przepustowości.
• Typowe zastosowania: przeguby robotów, wieloosiowe maszyny CNC, krytyczne systemy bezpieczeństwa.

3. Enkoder hybrydowy (Hybrid Encoder)

• Definicja
  Łączy wyjścia przyrostowe i absolutne w jednym urządzeniu, oferując zarówno impulsy wysokiej prędkości, jak i wartość absolutną.
• Cechy
  Równoczesne dostarczanie szybki impulsów i odczytu absolutnego, często stosowany w systemach redundantnych bezpieczeństwa (SIL).
• Typowe zastosowania: systemy bezpieczeństwa SIL, monitorowanie spadochronów w lotnictwie, inteligentne AGV w logistyce.

II. Klasyfikacja według formy pomiaru

1. Enkoder obrotowy (Rotary Encoder)

• Konstrukcja: wał stały, pusty lub półpusty; montaż na kołnierzu lub panelu.
• Parametry mechaniczne: średnica wału φ3–φ20 mm; obciążenie promieniowe 10–50 N; obciążenie osiowe 5–20 N; żywotność łożysk L₁₀ ≥ 10⁷ h.
• Wskazówki montażowe: koncentryczność < 0,05 mm; unikać bocznego obciążenia i silnych wibracji.
• Przykłady zastosowań: sprzężenie zwrotne serwomotorów, sterowanie stołami obrotowymi, pozycjonowanie zaworów.

2. Enkoder liniowy (Linear Encoder)

• Rodzaje: liniał optyczny, magnetyczny lub pojemnościowy; luz między głowicą a liniałem 0,1–1 mm.
• Dokładność: rozdzielczość 0,01–1 µm; błąd liniowości < ±1 µm/m.
• Odporność środowiskowa: optyczny wymaga czystego pomieszczenia; magnetyczny działa w środowisku zapylonym lub oleistym.
• Przykłady zastosowań: stoły CNC, ramiona CMM, maszyny do ekspozycji półprzewodników.

3. Enkoder linkowy (Draw‑Wire Encoder)

• Konstrukcja: bęben z linką stalową i sprężyną napinającą; zakres pomiaru do kilku metrów.
• Dokładność: rozdzielczość 0,1 mm; powtarzalność < ±0,5 mm.
• Zastosowania: pomiar wysokości platform, detekcja pozycji rolet, eksploracja tuneli.
• Wskazówki montażowe: linka powinna być pionowo napięta; unikać bocznych naprężeń i zagięć.

III. Klasyfikacja według zasady detekcji

1. Enkoder optyczny (Optical Encoder)

• Metoda detekcji
  Źródło światła → dysk kodowy → fotodetektor; impulsy powstają przy zmianach transmisji/odbicia.
• Zalety rozdzielczości: do milionów PPR; jitter < ±0,1 arcsec.
• Wady: wrażliwy na pył, olej i wahania temperatury.
• Normy: zgodny z ISO 23125 dla enkoderów optycznych.

2. Enkoder magnetyczny (Magnetic Encoder)

• Metoda detekcji
  Czujniki Halla lub magnetorezystancyjne mierzą zmiany pola magnetycznego.
• Niezawodność: odporny na zanieczyszczenia, wibracje i dryft temperaturowy; typowa dokładność 0,1–0,5°.
• Zastosowania: pozycjonowanie kabin wind, monitorowanie kątów w maszynach ciężkich.
• Normy: zgodny z DIN 32701 dla enkoderów magnetycznych.

3. Enkoder pojemnościowy (Capacitive Encoder)

• Metoda detekcji
  Pomiary zmian pojemności między elektrodami przy wzbudzeniu AC.
• Cechy: niskie zużycie energii, kompaktowy, odporny na wibracje; dokładność ±1 µm.
• Wady: wrażliwy na środowiska metaliczne i ładunki elektrostatyczne.
• Zastosowania: mikro‑roboty, ramiona medyczne, mikro/nano platformy.

4. Enkoder indukcyjny (Inductive Encoder)

• Metoda detekcji
  Pomiary zmian sprzężenia indukcyjnego między cewką a celemetalicznym miernikiem odległości.
• Zalety: odporny na wysoką temperaturę, ciśnienie i silne zakłócenia elektromagnetyczne.
• Dokładność: zwykle ±10 µm; odpowiedni dla przemysłu ciężkiego i transportu kolejowego.
• Normy: zgodny z IEC 62130 dla indukcyjnych czujników położenia.

IV. Podsumowanie i rekomendacje

1. Zdefiniuj potrzeby: rodzaj ruchu (obrotowy/liniowy), rodzaj sygnału (przyrostowy/absolutny).
2. Zalecenie dopasowania rozdzielczości do prędkości: wysoka rozdzielczość wymaga odpowiedniej przepustowości sterownika i możliwości interpolacji.
3. Uwzględnij warunki środowiskowe: optyczne enkodery do czystych pomieszczeń; magnetyczne/indukcyjne do trudnych warunków.
4. Sprawdź niezawodność mechaniczną: obciążenie łożysk, żywotność i precyzja montażu.
5. Zadbaj o kompatybilność komunikacji: upewnij się, że wybrany protokół i interfejs wspierają integrację systemów i diagnostykę.

Dzięki tej trójwymiarowej klasyfikacji i porównaniu parametrów, szybko wybierzesz odpowiedni typ enkodera, zoptymalizujesz wydajność urządzeń i obniżysz koszty wdrożenia oraz utrzymania.