📘 Wiki Enkodéra
Optické enkodéry
Optické enkódery s jadrom v difrakčných mriežkach a fotoelektrickej detekcii premieňajú rotačný alebo lineárny posun na elektrické signály. Sú hlavnou triedou zariadení spätnej väzby polohy v CNC strojoch, polovodičových platformách, presnej metrológii, robotike a špičkovej automatizácii. Vďaka vysokému rozlíšeniu, nízkej chybe podrozlíšenia a výbornej opakovateľnosti sa optické enkódery široko používajú pri polohovaní od nano- po mikrometrové mierky.
Čo je optický enkóder（What is an Optical Encoder）
Optický enkóder je snímač polohy založený na reťazci zdroj svetla — optická mriežka — fotoelektrická detekcia. Jeho jadro tvoria periodická kódovacia mierka/disk（Scale/Disk） a čítacia hlava（Readhead）: v definovanom optickom medzere čítacia hlava sníma prenos/odraz na mriežke a vytvára pruhy alebo interferenčný signál. Tie sa spracujú v analógovom front-ende a v interpolácii/dekódovaní a na výstupe vznikajú inkrementálne A/B (s referenciou Z), sinus/kosinus 1 Vpp alebo absolútne sériové údaje (SSI/BiSS/EnDat atď.).
Podľa pohybu rozlišujeme rotačné optické enkódery (disk) a lineárne optické enkódery (mierka). Na rozdiel od nepriameho odhadu cez skrutku/pastorok poskytujú lineárne enkódery priame meranie, ktoré významne potláča chyby polohovania spôsobené vôľou, stúpaním a tepelnou dilatáciou; rotačné enkódery zas poskytujú vysoké uhlové rozlíšenie a spätnú väzbu rýchlosti pre motory a otočné stoly.
Princíp činnosti（Working Principle）
1) Zobrazovacia/moire metóda（Imaging/Moiré）
- Štruktúra: zdroj (LED/VCSEL) → kolimačná/zobrazovacia optika → maska/fázová mriežka → fotocitlivé pole.
- Mechanizmus: relatívny pohyb mierky a referenčnej mriežky v hlave vytvára moire pruhy približne sinusového/kosinusového tvaru; interpolácia a korekcia amplitúdy/fázy generujú vysoké rozlíšenie posunu.
2) Interferenčná / fázová mriežka（Interferential/Phase Grating）
- Mechanizmus: fázový rozdiel medzi difrakčnými rády sa mení lineárne s posunom; ich superpozícia vytvára vysokočisté sinusové signály s nižším SDE (Sub-Division Error) a vyšším potenciálom rozlíšenia.
3) Transmisná vs. reflexná optika
- Transmisná: sklenený/keramický substrát; vysoký SNR a linearita — vhodné do čistých prostredí a pre vysokopresné polohovanie.
- Reflexná: metalizované alebo povlakované odrazné mriežky; kompaktné, montážne priateľské, citlivejšie na znečistenie — vyžadujú dobré utesnenie, vzduchovú clonu/škrabky.
4) Inkrementálna a absolútna logika výstupu
- Inkrementálna: A/B kvadratúrne impulzy (posun 90°); smer sa určuje podľa fázového predstihu; referencia Z raz na zdvih/otáčku.
- Absolútna: jedinečný kód v ľubovoľnej polohe (Binary/Gray), s možnými registrami diagnostiky, teploty a stavu.
Približné lineárne rozlíšenie: Δx ≈ p / (N × M)
kde p = krok mriežky, N = analógová interpolácia (napr. 100×), M = digitálne násobenie (typicky 4×).
Ekvivalentné uhlové rozlíšenie (rotačné): θ_res = 360° / (počet čiar × 4)
Klasifikácia（Taxonomy）
- Podľa pohybu: lineárne optické enkódery / rotačné optické enkódery (disk)
- Podľa výstupu: inkrementálne (TTL/HTL/RS422, 1 Vpp/11 µApp) / absolútne (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, paralelné)
- Podľa optickej realizácie: transmisné / reflexné, zobrazovacie / interferenčné, amplitúdové / fázové mriežky
- Podľa vyhotovenia: otvorené (vysoká dynamika, nízke trenie) / utesnené (IP65–IP67, odolnosť voči olejovej hmle a chladiacim kvapalinám)
- Podľa rozsahu/substrátu: sklo/keramika (nízky CTE), oceľový pás (dlhý zdvih), reflexné mriežky atď.
Kľúčové súčasti a signálový reťazec（Signal Chain）
- Zdroj a optika: LED/laser; kolimácia/zaostrenie určuje rovnomernosť osvetlenia a teplotný drift; vhodné je zostarnutie a regulácia výkonu v slučke.
- Mriežka/disk: krok
p, strieda a fázová presnosť určujú čistotu signálu a SDE. - Fotopolíčko/AFE: viac-kanálové vzorkovanie, automatické vyváženie zosilnenia/offsetu/fázy (ABC).
- ASIC interpolácie/kódovania: korekcia amplitúdy/fázy, eliptická kompenzácia, digitálna filtrácia a potlačenie jitteru, protokolové kódovanie a linkové budiče.
- Fyzická vrstva: RS422 (diferenciál), 1 Vpp/11 µApp; terminačná impedancia a trasovanie káblov (tienenie/uzemnenie).
Výstupy a rozhrania（Outputs & Interfaces）
| Režim výstupu | Typický signál | Poznámka |
|---|---|---|
| Inkrementálne obdlžníky | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Rýchle čítače PLC, slučky rýchlosti/polohy; na dlhé vzdialenosti preferovať diferenciál |
| Sinus/kosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Ultra-jemná interpolácia; SDE a jitter závisia od kvality reťazca |
| Absolútny sériový | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Jedno-/viacotáčkový absolút, registre diagnostiky/teploty/alarms |
| Priemyselné zbernice | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Viacosová synchronizácia, distribuované hodiny, online konfigurácia |
Odhad šírky pásma (lineárne): f_max ≈ (v / p) × edges
kde v = lineárna rýchlosť, edges = počet platných hrán na periódou (napr. 4×).
Kľúčové parametre（Key Specifications）
| Parameter | Typický rozsah / poznámky |
|---|---|
| Rozlíšenie | Lineárne: 1 µm → 1 nm; Rotačné: ekvivalentne až 24 bit |
| Lineárna presnosť | High-end optika: ±1 až ±3 µm/m; Štandard: ±3 až ±10 µm/m |
| Opakovateľnosť | ≤ ±0,1 až ±0,3 µm (lineárne); rotačné až pod oblúkovú sekundu |
| SDE (chyba podrozlíšenia) | Kvalitný 1 Vpp reťazec: ±20 až ±80 nm |
| Jitter | Desiatky nanometrov; daný AFE a fázovým šumom hodin |
| Fázová/striedová chyba | A/B: 90° ± (1–5)°; strieda 50% ± (2–10)% |
| Rýchlostné možnosti | Lineárne > 1 m/s; Rotačné až 12 000+ ot./min (podľa rozhrania) |
| Odolnosť prostrediu | IP40 (otvorené) až IP67 (utesnené), IEC 60068-2 vibrácie/rázy |
Montáž a zdroje chýb（Installation & Error Sources）
- Optická medzera a natočenie (pitch/roll/yaw) → nevyvážené amplitúdy a rast SDE
- Abbeho chyba: rameno × uhlová chyba; viesť meraciu čiaru cez stred pohybu alebo kompenzovať softvérovo
- Kosínusová chyba (malé uhly):
e ≈ (L × θ²) / 2 - Excentricita disku / hádzanie hriadeľa (rotačne): vnáša základnú/2. harmonickú zložku uhlovej chyby
- Tepelná rozťažnosť (CTE): sklo/keramika — nízky CTE; oceľový pás vyžaduje teplotnú kompenzáciu a plávajúce uchytenie
- EMC/uzemnenie: jednobodové uzemnenie, správne tienenie a návratové cesty; vyhnúť sa spoločným režimom a slučkám
Kalibrácia a kompenzácia（Calibration & Compensation）
- Lineárne mapovanie: merať chybu laserovým interferometrom/ballbar a nahrať do LUT riadiča
- Kompenzácia teplotného driftu: kombinovať teplotu mierky/konštrukcie s modelom CTE v reálnom čase
- Korekcia amplitúdy/fázy a elipsy: adaptívne vyváženie pred interpoláciou
- Referenčná stratégia: vzdialenostne kódované referenčné body skracujú návrat na nulu a zvyšujú reprodukovateľnosť
Porovnanie s inými princípmi（Comparisons）
| Technológia | Rozlíšenie/presnosť | Odolnosť voči prostrediu | Typický rozsah | Hlavné slabiny |
|---|---|---|---|---|
| Optické enkódery | ★★★★★ | ★★★ | Stredný/dlhý | Citlivosť na znečistenie a kondenzáciu, náročná montáž |
| Magnetické enkódery | ★★☆ | ★★★★ | Dlhý | Slabšia linearita a SDE |
| Induktívne/kapacitné | ★★★ | ★★★★ | Stredný | Citlivosť na blízkosť kovov/vírivé prúdy alebo vlhkosť |
| Rezolver/potenciometer | ★★ | ★★★★★/★ | Stredný/krátky | Nižšie rozlíšenie alebo menej priamočiare rozhrania |
Aplikácie（Applications）
CNC (lineárne a rotačné osi), CMM a metrologické platformy, polovodičové zarovnávanie/expozícia/inšpekcia, precízne pohybové stoly, kĺby robotov a monitoring vôle prevodoviek, medicínske zobrazovanie/radioterapia, synchronizácia tlače a balenia, SMT osadzovanie/inšpekcia a vysokorýchlostná manipulácia.
Údržba a diagnostika porúch（Maintenance & Troubleshooting）
- Rutina: pravidelné čistenie (bezprašná utierka + vhodné rozpúšťadlo), kontrola polomeru ohybu/tienenia káblov, monitoring vlhkosti a kondenzácie
- Typické príznaky a opatrenia:
- Strata impulzov/hrán: nadmerná medzera, tieňenie nečistotami → doladiť polohu/čistenie/utesnenie a vzduchová clona
- Rast SDE/jitteru: šum AFE/interpolácie, zlé uzemnenie → optimalizovať napájanie, vedenie a termináciu
- Zlyhanie absolútnej komunikácie: nezhoda parametrov alebo polarity SSI/BiSS/EnDat → skontrolovať dĺžku rámca, CRC, časovanie, impedanciu
- Uhlové harmonické chyby (rotačne): excentricita/hádzanie → zlepšiť koncentrickosť a tuhosť ložísk; aplikovať harmonickú kompenzáciu
Sprievodca výberom（Selection Guide）
- Cieľová presnosť/opakovateľnosť (µm/m alebo obl. sekundy) a dynamika rýchlosti
- Princíp realizácie (transmisia/reflexia; zobrazenie/interferencia) a krok mriežky
p - Výstupné rozhranie (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, zbernica) vs. šírka pásma riadiča
- Vyhotovenie a prostredie (otvorené/utesnené, trieda IP, chladiaca kvapalina/prach)
- Mechanika a teplo (tolerancie medzery/orientácie, CTE, plávajúca montáž)
- Kompenzácia a diagnostika (mapa chýb, registre teploty/stavu, online alarmy)
- Životný cyklus (servisovateľnosť káblov/hlavy, dostupnosť náhradných dielov, kalibračné možnosti)
Normy a referencie（Standards & References）
- IEC 60529:2020 (krytie IP)
- IEC 60068-2 (vibrácie/rázy/teplota-vlhkosť)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (priemyselná EMC: odolnosť/emisia)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (testy polohovania a tepelných vlastností obrábacích strojov)
- ISO 10360 (verifikácia CMM)
- ISO 14644 (požiadavky na čisté priestory)
Zhrnutie: Dôkladné zvládnutie princípov, parametrov, rozhraní a montážnych/kompenzačných postupov optických enkóderov umožňuje dlhodobú prevádzku s vysokou presnosťou, robustnosťou a dobrou diagnostikovateľnosťou aj v náročných podmienkach.